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Entwicklung einer Nanotechnologie-Plattform für die ... - JuSER

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5 Herstellung von

5 Herstellung von Crossbar-Strukturen Die Herstellung der Crossbar-Strukturen bestand im Wesentlichen aus vier Teilschritten: Der Realisierung von Bottom-Elektroden, der anschließenden Planarisierung der Oberfläche, der Abscheidung des resistiv schaltenden Materials und der abschließenden Herstellung von Top-Elektroden. Die Herstellung der Top- Elektroden bedingt dabei eine Alignment-Prozedur vor der Durchführung des Imprints, in dem die Elektroden-Strukturen des Stempels orthogonal zu den Bottom-Elektroden ausgerichtet wurden. Die Planarisierung einer bereits strukturierten Probenoberfläche stellte sich im Verlauf dieser Arbeit als notwendig heraus, um einen weiteren Top-Imprint erfolgreich durchführen zu können. Probleme, welche durch das Fehlen eines Planarisierungsschrittes entstehen, werden anhand des Crossbar-Prozesses dargestellt. Im Folgenden werden die Teilschritte der Crossbar-Herstellung detailliert beschrieben. Dabei soll allerdings auf die Abscheidung des funktionalen Materials zunächst verzichtet werden, da diese für verschiedene Materialien in unterschiedlichen Verfahren ausgeführt werden kann. Es soll ferner die Herstellung der Crossbar-Architektur als Basisplattform vorgestellt werden, in der sämtliche, resistive Elemente integrierbar sind. 5.1 Herstellung der Bottom-Elektroden Für die Herstellung der Bottom-Elektroden wurden 100 mm Si-Wafer als Substratmaterial verwendet. Die Oberfläche der Wafer wurde in einem Nassverfahren oxidiert, sodass eine ~ 450 nm dicke SiO 2 -Schicht entstand. Auf der Oxidschicht wurde anschließend die Metallschicht abgeschieden, aus der später durch Strukturierungsmaßnahmen die Elektroden generiert wurden. Die Metallschicht bestand standardmäßig aus einer 30 nm-dicken Pt-Lage, die auf zuvor abgeschiedenem TiO 2 deponiert wurde. TiO 2 diente dabei als Haftvermittler des Pt auf der SiO 2 -Oberfläche. Die Strukturierung des Pt erfolgte durch einen UV-Nanoimprint Schritt und anschließendem RIBE-Prozess [116]. Dazu wurde zunächst ein Haftvermittler (Ti- Prime) und dann der UV-härtende Imprint-Lack (NXR-2010, 1,5 % Feststoffgehalt) mit 3000 rpm und 60 sec auf die Probe aufgeschleudert (Abbildung 5.1 a). In dem UV- Imprint Prozess wurde der niedrig viskose Lack unter einem Druck von 550 psi mit Hilfe des Glasstempels für 6 min geformt (Abbildung 5.1 b). Die Härtung des Lacks geschah unter vierminütiger UV-Belichtung. Nach dem Imprint wurden Stempel und 67

5 HERSTELLUNG VON CROSSBAR-STRUKTUREN Substrat wieder voneinander separiert und der Residual-Layer in einem CF 4 -Prozess entfernt (Abbildung 5.1 c). Somit befanden sich nur noch die Lackstrukturen auf dem Pt. Diese konnten in einem Ar-Sputterprozess in die darunter liegende Metallschicht übertragen werden. In einem abschließenden O 2 -Veraschungsprozess wurden Lackreste von der Oberfläche der strukturierten Pt-Elektroden entfernt (Abbildung 5.1 d). a) b) c) d) Abbildung 5.1: Prozessablauf der Bottom-Elektroden: a) UV-Lack auf platiniertem Si/SiO 2 - Substrat, b) UV NIL, c) Residual Ätzschritt, d) Pt-Strukturierung. In Abbildung 5.2 sind beispielhafte Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen dargestellt, die stets zwischen den einzelnen Prozessschritten für eine Prozesskontrolle benötigt wurden. Abbildung 5.2 a) zeigt den strukturierten UV-Lack auf der Pt-Schicht nach dem Imprint. Abbildung 5.2 b) stellt die Probenoberfläche nach dem Residual-Ätzen dar und Abbildung 5.2 c) zeigt die fertig gestellten Pt-Bottom-Elektroden, welche mit einer Höhe von 30 nm, entsprechend der initialen Metallschichtdicke, in einem Profilometer gemessen wurden. Die laterale Auflösung, welche mit dem vorgestellten Prozess erreicht werden konnte, betrug für parallel verlaufende Elektroden 50 nm. Ferner wurde ein Half-Pitch von 50 nm erzielt. Der Half-Pitch bezeichnet dabei die Hälfte des periodischen Abstandes (Pitch) zweier benachbarter Strukturen. In Abbildung 5.2 c) ist der periodische Abstand, also der Pitch, mit 100 nm dimensioniert. Einzellinien konnten generell bereits bei der Stempelherstellung mit einer Breite von bis zu 30 nm realisiert werden, da hier während der Elektronenstrahl-Lithographie der Einfluss von Überbelichtungseffekten geringer war [109]. Somit konnten auch Einzel- Bottom-Elektroden einer Linienbreite von 30 nm mit dem oben beschriebenen Technologie-Prozess hergestellt werden [106]. Nach der Herstellung der Pt-Bottom-Elektroden wurde die Waferoberfläche planarisiert, um eine homogene Grundlage für die nachfolgenden Prozessschritte zu garantieren. Ein Spin-On-Glas (hier MSQ (Methyl-Silsesquioxan) T-111 von Honeywell) diente dabei 68