DE10332725A1

DE10332725A1 - Verfahren zur selbstjustierenden Verkleinerung von Strukturen

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Publication number: DE10332725A1
Application number: DE10332725A
Authority: DE
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2003-07-18
Filing date: 2003-07-18
Publication date: 2005-02-24
Also published as: DE112004001806D2; WO2005010973A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur selbstjustierenden Verkleinerung von Strukturen in einer Schichtenfolge, bei der zumindest eine Metallschicht auf einem Substrat angeordnet ist, wobei die zu verkleinernde Struktur durch die mindestens eine Metallschicht begrenzt wird. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht durch Oxidation vollständig in ein Metalloxid umgewandelt wird.
Auf Grund der Dicke und der Materialeigenschaften der Metallschicht bzw. des Metalloxids ist die zu erwartende Strukturverkleinerung definiert. Der Grad der Verkleinerung wird über die Ausdehnbarkeit des Metalls, die Gitterkonstante und/oder über die Kristallstruktur des gebildeten Oxids bestimmt. Weiterhin relevant ist die Stöchiometrie, das heißt in welchem Verhältnis Sauerstoffatome zu Metallatomen während der Oxidation eingebaut werden. Bedingungen während des Verfahrens, wie z. B. die Oxidationsbedingungen, können ebenfalls Einfluss auf die Verkleinerung haben.
Bei der vollständigen Oxidation von z. B. Tantal zu Tantalpentoxid wird das 2- bis 2,5-fache Volumen des reinen Metalls gebildet. Über derartige Faktoren ist die Verkleinerung der vom Metall begrenzten Strukturen möglich.

Description

Die Erfindung betrifft ein selbstjustierendes Verfahren zur Verkleinerung von Strukturen, insbesondere bei der Herstellung von Halbleiter-Bauelementen.

Die hochgenaue und dabei preiswerte Erzeugung von Strukturen im Nanometerbereich ist der Schlüssel zur Herstellung zukünftiger miniaturisierter optischer, mikroelektronischer und mikrosystemtechnischer Bauelemente und Komponenten. Die Realisierung derartiger Strukturen im Nanometermaßstab ist von verschiedenen Standpunkten her interessant, so z. B. für eine erhöhte Packungsdichte innerhalb von Bauelementen, für einen niedrigeren Leistungsverbrauch, für das Verständnis neuartiger physikalischer Phänomene und damit verknüpft, der Entwicklung neuartiger nanoelektronischer Devices, wie z. B. dem single-electron transistor, dem metal/insulator tunnel transistor und so weiter.

Chemische Chips und Biochips repräsentieren weitere Beispiele, die sich derzeit im schnellen Wandel befinden und von einem hohen Grad von Funktionalität und Integration profitieren.

Zur Herstellung von regelmäßigen Strukturen oberhalb von 100 Nanometern bilden optische Lithographieverfah ren den Stand der Technik.

Nachteilig ist die dadurch bedingte Auflösung durch die Wellenlänge des Lichts begrenzt.

Zur Herstellung von Strukturen im Bereich kleiner als 100 Nanometer kommen die Elektronenstrahl-, die Ionenstrahl- oder auch die Röntgenlithographie in Frage. Strukturen kleiner als 50 Nanometer werden vor allem mittels Elektronenstrahllithographie hergestellt.

Nachteil derartiger Verfahren ist der generell hohe technische und zeitliche Aufwand. Die erforderlichen Geräte sind kostenintensiv in Anschaffung und Betrieb und arbeiten zum Teil wegen ihrer seriellen Betriebsart langsam.

Es wurden daher Techniken auf Basis der Photolithographie diskutiert, um Nanostrukturen unterhalb deren Auflösung herzustellen.

So ist aus JP 10092791 A ist ein Verfahren zur Nanostrukturierung bekannt, dass auf der Abscheidung eines schmalen Wolframfilms auf den Seiten von Siliziumstegen beruht. Dadurch wird eine Verkleinerung des Abstandes zwischen den Stegen erzielt.

Aus Hashioka et al. (Jpn. J. Appl. Phys., 39 (2000) 7063–7066) ist ein Verfahren zur Herstellung von nanostrukturierten metallischen Masken bekannt. Während des Verfahrens werden örtlich aufgelöst, die Kanten von Metallfilmen anodisch oxidiert, um Gräben im Nanometerbereich zu realisieren.

Nachteilig ist diese Methode komplex, da die Maskenherstellungstechnik zahlreiche Prozesse umfasst, wie z. B. die zusätzliche Abscheidung weiterer Metallschichten, Lift-off-Prozesse, verschiedene Ätzungen und so weiter. Der gesamte Prozess ist teuer und die anodische Oxidation ist üblicherweise nicht prozesskompatibel zur CMOS-Technologie.

Aus Heidemeyer et al. (J. Appl. Phys., 87 (2000) 4580–4585) ist ein kontrollierbarer, größenreduzierender Prozess durch unvollständige Oxidation von Silizium bekannt.

Nachteilig ist eine Vorhersage der Verkleinerung nur unter hohem Aufwand und auf Grund vorher zu ermittelnder empirischer Daten möglich. Das Verfahren ist nicht selbstjustierend.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein selbstjustierendes Verfahren zur Verkleinerung von Strukturen bereit zu stellen, das den Herstellungsprozess vereinfacht, die Kosten senkt und dabei zu reproduzierbaren Resultaten führt.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Hauptanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf jeweils rückbezogenen Patentansprüchen.

Das Verfahren zur selbstjustierenden Verkleinerung sieht vor, zumindest eine Metall-Schicht auf einem Substrat anzuordnen, wobei die zu verkleinernde Struktur durch die Metall-Schicht(en) begrenzt wird. Die Metall- Schicht(en) wird bzw. werden durch Oxidation vollständig in ein Metalloxid umgewandelt.

Auf Grund der Dicke und über die Materialeigenschaften der Metall-Schicht(en) bzw. des Metalloxids ist die zu erwartende Verkleinerung der Struktur definiert und vorhersehbar.

Es wird im Gegensatz zum Stand der Technik während der Oxidation keine Maske auf dem Metall belassen, da dies zusätzliche Verfahrensschritte, wie Lift-off, Abscheidung weiterer Metall-Schichten und so weiter nach sich ziehen würde. Statt dessen wird durch vollständige Oxidation des Metalls ein Metalloxid gebildet, das Strukturen unterhalb der Auflösung der Photolithographie aufweisen kann. Die gebildete Struktur kann selbst als Maske dienen.

Der Grad der Verkleinerung wird über die Ausdehnbarkeit des oxidierenden Metalls, sowie über die Gitterkonstante und/oder über die Kristallstruktur des gebildeten Oxids bestimmt. Weiterhin relevant ist die Stöchiometrie, das heißt in welchem Verhältnis Sauerstoffatome zu Metallatomen während der Oxidation eingebaut werden. Bedingungen während Verfahrens, wie z. B. die Oxidationsbedingungen können ebenfalls Einfluss auf die Verkleinerung haben.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Verkleinerung zeichnet sich durch seine Einfachheit und seine Reproduzierbarkeit aus, da immer eine vollständige Oxidation des Metalls herbeigeführt wird.

Als Substrat kommen vor allem Halbleiterschichten und Isolatoren, aber auch metallhaltige Schichten in Betracht.

Es ist auch denkbar, das Verfahren außerhalb der Halbleitertechnologie einzusetzen.

Vorzugsweise wird das zu oxidierende Metall aus der Gruppe Tantal, Titan, Chrom, Aluminium oder Zirkonium ausgewählt.

Bei der vollständigen Oxidation einer reinen Tantal-Schicht zu einer Tantalpentoxid-Schicht (Ta₂O₅) auf einem Substrat dehnt sich diese Schicht um das 2 bis 2,5-fache der Dicke der Schicht aus.

Für die anderen genannten Metalle existieren ebenfalls derartige Faktoren. Zum Beispiel wird eine Titanschicht zu Titandioxid (TiO₂) oxidiert, wobei die Oxidschicht die 2,7-fache Dicke aufweist.

Bei der Oxidation erfolgt selbstverständlich die Ausdehnung auch lateral, so dass die selbstjustierende Verkleinerung einer angrenzenden Struktur auftritt.

Über die Dicke der Schicht und über diese Faktoren ist somit eine Verkleinerung von Strukturen, z. B. Gräben, die von reinen Metallschichten begrenzt werden in einem bisher nicht bekanntem Maße möglich. Es ist möglich Verkleinerungen derartiger Strukturen so vorzunehmen, dass reproduzierbar schmalste Strukturen, wie Gräben zwischen den gebildeten Stegen aus Metalloxid verbleiben. Diese können dann weiter prozessiert werden, z. B. aufgefüllt oder für Ätzungen verwendet werden.

Sofern die Metall-Schicht vor der Oxidation photolithographisch strukturiert wurde, wird die durch die Metallschicht begrenzte Struktur durch Oxidation derartig verkleinert, dass die Abmessungen der Struktur nach der Oxidation reproduzierbar unterhalb der photolithographischen Auflösung und damit kleiner als 130 Nanometer liegen.

Dies hat zur Folge, dass mit dem Verfahren Verkleinerungen von Strukturen in Bereichen vorgenommen werden können, die bisher aufwendigen Verfahren wie der Ionenstrahllithographie, der Röntgenlithographie und der Elektronenstrahllithographie vorbehalten waren.

Es ist zu beachten, dass das erfindungsgemäße Verfahren im Vergleich zu diesen Verfahren durch die bereits oben genannten Vorteile erhebliche Kosten einzusparen hilft, da es sich auch in der Serienherstellung einsetzen lässt.

Erfindungsgemäß ist es möglich eine photolithographisch strukturierte Metallmaske auf einem Substrat durch Oxidation vollständig in eine Metalloxidmaske umzuformen und für weitere Strukturierungen zu verwenden.

Dabei wird vorteilhaft bewirkt, dass über die Zunahme des Volumens der Metalloxidschicht die Größe der photolithographisch strukturierten Öffnungen reduziert wird. Demzufolge wird eine Metalloxidmaske mit selbstjustierenden Öffnungsgrößen, die von der Dicke und Ausdehnbarkeit des Metalls bei der Oxidation definiert wird, erzeugt. Vorteilhaft wird für das Verfahren konventionelle Photolithographie-Verfahren eingesetzt, um definierte Nanometerstrukturen zu erzeugen.

Die erzielte Metalloxidmaske kann in nachfolgenden Prozessschritten eingesetzt werden und der Erzeugung von Nano-Schlitzen, -Gräben, -Kanälen, -Elektroden, -Drähten, -Abständen (Gap) und anderweitigen Nanostrukturen, Nanoanordnungen und Nanobauelementen dienen. Dabei sind auch komplexe dreidimensionale Strukturen herstellbar, z. B. Nanoelektrodenarrays.

Für die Oxidation kommen vor allem die thermische Oxidation und die anodische Oxidation in Betracht. Besonders vorteilhaft wird eine thermische Oxidation als Oxidation durchgeführt. Diese ist kompatibel zur CMOS-Technologie.

Die Technik kann vorteilhaft die konventionelle Photolithographie mit der Verringerung der minimalen Strukturgrößen kombinieren.

Auch damit lassen sich technologisch einfach und kostengünstig Nanometer-Strukturen sowohl im Labor- als auch Produktionsmaßstab realisieren.

Da Verfahren ist sehr gut reproduzierbar, da die Verkleinerung der Strukturen im wesentlichen über die Dicke der zu oxidierenden Metallschicht sowie über die Eigenschaften des Metalls selbstjustierend definiert ist.

Es ist auch möglich die Metallschicht teilweise thermisch zu oxidieren, und die Verkleinerung im wesentlichen über die Oxidationsdauer und/oder über die Oxidationstemperatur zu kontrollieren.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es z. B. mög lich, Abstände zwischen Metallelektroden auf kleiner 100 Nanometer (nano-Gap) einzustellen.

Es kann somit z.B. zunächst eine erste Metallschicht auf einem Isolator oder Halbleiter-Substrat oder auch auf einem mit einer Isolatorschicht bedeckten Substrat und sodann eine zweite Metallschicht auf der ersten Metallschicht abgeschieden werden.

Die Strukturierung der zweiten Metallschicht kann sodann mittels konventioneller Photolithographie zur Ausbildung einer Metallmaske mit trennfugenförmiger Öffnungsgeometrie (slit) mit der für Photolithographie üblichen Auflösung erfolgen. Die Umwandlung der Metallmaske zu Metalloxid erfolgt mittels thermischer Oxidation bei Temperaturen, die zu keiner Oxidation der ersten Metallschicht führen. Damit lässt sich eine selbstjustierende Metalloxidmaske ausbilden mit reduzierten Öffnungen im Nanometerbereich.

Sodann wird die erste Metallschicht zur Realisierung eines Nano-Abstandes (Nano-Gap) geätzt.

Es können mit diesem Verfahren auch sogenannte Interdigitate-Elektroden mit einem Abstand (Gap) im Nanometerbereich hergestellt werden.

Weiterhin erlaubt das Verfahren die Herstellung von Nanoelektroden oder Nanoelektrodenarrays mittels konventioneller Photolithographie. Dabei wird beispielweise auf einem Isolator-Substrat eine erste Metallschicht abgeschieden und photolithographisch strukturiert. Die Verkleinerung der ersten Metallschicht erfolgt wiederum mit konventioneller Photolithographie zur Erzeugung der gewünschten Elektrodengeometrie. Danach erfolgt die Ab scheidung einer zweiten Metallschicht auf der ersten Metallschicht und deren Strukturierung mit konventioneller Photolithographie, um die Öffnungen für die Elektrodenkonfiguration (Kreis, Quadrat, Band, etc.) mit dieser Auflösung zu erzielen.

Sodann erfolgt die Umwandlung der kompletten zweiten Metallschicht zu Metalloxid mittels thermischer Oxidation bei einer Temperatur, bei der die erste Metallschicht nicht oxidiert. Damit bildet sich eine Metalloxidmaske mit reduzierten Öffnungen aus, die die Elektrodengrößen definieren. Damit lassen sich Metallelektroden und sogar Metallelektrodenarrays ausbilden, mit Elektrodengrößen im Nanometerbereich und mit geringeren Abständen als dies mittels Photolithographie möglich ist.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden zusätzliche elektrochemische Abscheidungen von Metallen in die Öffnungen derartiger Metalloxidmasken vorgenommen, um bestimmte Bauteile herzustellen.

Es kann auch eine zusätzliche Galvanisierung mit verschiedenen Metallen für solche Öffnungen vorgenommen werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die Kompartimente durch Ätzen des Substrats gebildet. Danach wird eine weitere organische oder inorganische Isolator-, Metall- oder Halbleiterschicht abgeschieden, um das Kompartiment in zwei Teile aufzutrennen und/oder zwei Nanometer-Kanäle auszubilden.

Es können auch zusätzliche elektrochemische Abscheidun gen von Metallen in die Öffnungen vorgenommen werden, um bestimmte Bauteile herzustellen.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein selbstjustierendes Verfahren zur Herstellung von Nanometerbauelementen (Nanodevice) durchgeführt, wobei bei dem Verfahren eine derartig hergestellte Nanometerstruktur verwendet wird.

Als Bauelemente, die derartige erfindungsgemäß verkleinerte Strukturen umfassen, eignen sich vor allem Feldeffekttransistoren und Sensoren.

Derartige Bauelemente können z. B. mit Kanälen mit isolierten Seitenwänden versehen sein. Solche Kanäle lassen sich dann für fluidische Anwendungen oder andere Trennverfahren sowie sensorische Anwendungen nutzen.

Im weiteren wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen und den beigefügten acht Figuren näher beschrieben.
Es zeigen:
1a–c: Schematische Abfolge von Verfahrensschritten zur Herstellung einer Nanometer-Metalloxidmaske.
2: Aufsicht auf eine Nanometer-Trennfuge (slit).
3: Verfahren zur Herstellung eines Nanometer-Grabens (trench) im Querschnitt.
4a–c: Verfahren zur Herstellung eines Nanometer-Kanals bzw. eines geschlossenen Raums (Kompartiment) im Nanometerbereich.
5a–d: Verfahren zur Herstellung eines Nanometer-Abstands (Lücke, nano-gap).
6: Verfahren zur Herstellung eines Dünnschicht-Feldeffekttransistors bzw. eines organischen Feldeffekttransistors im Querschnitt.
7a–c: Verfahren zur Herstellung einer Nano-Elektrode bzw. eines Nano-Elektrodenarrays.
8: Verfahren zur Herstellung einer Nanometer-Elektrode bzw. eines Nano-Elektrodenarrays.
Die 1a–c zeigen im Querschnitt die wesentlichen Schritte zur Herstellung einer Nanometer-Maske. Dabei wird zunächst auf ein Substrat 1 eine dünne Schicht 2 aus einem Metall mittels eines Beschichtungsverfahrens abgeschieden (1a).
Als Materialien für das Substrat sind Isolator- oder Halbleitermaterialien oder mit einer Isolatorschicht bedeckte Halbleiter und sogar Metalle oder mit einer Metallschicht bedeckte Isolatoren- bzw. Halbleitermaterialien oder auch Metall-Isolator-Halbleiter bzw. Metall-Isolator-Metall Strukturen geeignet. In 1 ist das Substrat somit grob schematisch dargestellt. Als Materialien für die Metallschicht 2 sind insbesondere die mit der Silizium- bzw. Dünnschichttechnologie kompatiblen Metalle mit relativ niedriger Oxidationstemperatur und/oder mit relativ hoher Zunahme des Schichtvolumens bei der Umsetzung des Metalls zum Metalloxid geeignet (z. B. Ta, Ti, usw.). Die Dicke dieser Schicht 2 kann in der Größenordnung von einigen Nanometern bis zu einigen Mikrometern betragen.
Danach wird die Metallschicht 2 mit der gewünschten Geometrie mittels konventioneller Photolithographie zu einer Metallmaske 2a strukturiert. In diesem Zustand ist die Öffnungsgröße 3 in der Metallmaske 2a durch die Auflösung der konventionellen Photolithographie bestimmt. Die Metallmaske 2a wird vollständig zu Metalloxid mittels thermischer Oxidation umgewandelt. Die Temperatur und Dauer der Oxidation hängt vom Metall selbst und von der Dicke der Metallschicht ab. Aufgrund der Volumenzunahme der Schicht 2a kommt es zu einer Reduzierung der Öffnung 3. Es bildet sich eine selbstjustierende Metalloxidmaske 4 mit Öffnungen 3a aus, die weit unterhalb der mittels Photolithographie gebildeten Öffnungsgrößen 3 liegen kann. Aufgrund der definierten Auflösung der mittels Photolithographie strukturierten Metallmaske 2a, wird die Größe der Struktur 3a in der Metalloxidmaske 4 durch die Dicke der Metallschicht 2, sowie deren Ausdehnung aufgrund der Umwandlung von Metall zu Metalloxid, bestimmt.
Eine Tantal-Schicht 2a wächst beispielsweise um den Faktor 2 bis 2,5 bei der Umwandlung zu Ta₂O₅. Eine Ti tanschicht wächst bei der Oxidation etwa um den Faktor 2,7.
Der Graben 3 in 1b hat beispielsweise eine Breite von 250 Nanometern. Die Schicht 2a sei auf beiden Seiten des Grabens 100 Nanometer dick und bestehe jeweils aus Tantal.
Durch Oxidation von Schicht 2a auf beiden Seiten der Öffnung 3 zu Tantalpentoxid, wird die Breite des Grabens 3a auf 50 Nanometer verkleinert.
Bei einer 120 Nanometer dicken Schicht aus Tantal verbleibt nach Oxidation ein Graben 3a von nur noch 10 Nanometer Breite. In beiden Beispielen wird als Berechnungsgrundlage ein Ausdehnungsfaktor 2 angenommen. Es wird deutlich, dass bei erfindungsgemäß vollständiger Oxidation des Tantals die Reproduzierbarkeit gegeben ist.
Auf ähnliche Weise lassen sich die Verkleinerungen bei Wahl anderer Metalle wie z. B. Titan vorab berechnen.
Unter Ausnutzung dieser Technik ist es möglich, die Strukturgrößen von konventioneller Photolithographie somit um bis zu mehrere Größenordnungen zu verkleinern. Die resultierende Metalloxidmaske 4 mit verbesserter struktureller Auflösung kann in nachfolgenden Prozessschritten eingesetzt werden, um Nano-Schlitze, -Gräben, -Öffnungen, – Abstände (Gap)-, Elektroden, -Drähte, -Kanäle oder anderweitige Nanostrukturen, Nanoanordnungen und Nanobauelemente zu realisieren.
2 zeigt eine Aufsicht auf erfindungsgemäß herge stellte Nanometer-Trennfugen (slit) 5. Es können in der selben Art und Weise aber auch Öffnungen und Strukturen anderer Anordnungen bzw. Geometrien (z. B. Kreise, Quadrate, Rechtecke usw.) im Nanometermaßstab mit einer entsprechenden Metalloxidmaske realisiert werden. Die übrigen Bezugszeichen entsprechen denen in 1.
3 zeigt im Querschnitt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Nanometer-Gräben (Trench) 6, welches bei anisotropem Ätzen des Substrats 1 unter Verwendung der trennfugen-(slit)-förmigen Metalloxidmaske 4 aus 2 ausgebildet wurde.
Es können weitere Strukturen im Nanometermaßstab realisiert werden, wie z. B. Nanoporen, regelmäßige Nanoöffnungen und so weiter. Die erzeugten Nanostrukturen der 1 und 2 und 3 können mit unterschiedlichen chemisch und/oder biologisch sensitiven Materialien modifiziert werden, so dass eine Immobilisierung derselben auf oder in der Nanostruktur erfolgt (z. B. von Enzymen, Proteinen, DNA, etc.), um chemische oder biologische Sensoren im Nanomaßstab aufzubauen.
In 4a–c sind die wesentlichen Schritte des Herstellungsverfahrens eines Nanometer-Kanals bzw. eines geschlossenen Raums (closed compartments) im Nanometer-Bereich gezeigt.
Nach Ausbildung einer Metalloxidmaske 4 aus einer Metallschicht mit der gewünschten Geometrie, z. B. mit einem Schlitz 5, wie in 2 gezeigt, wird ein Kompartiment 7 im Substrat 1 mittels isotropem Ätzen ausgebildet. Danach wird eine Isolator- oder Metall- oder eine Halbleiterschicht 8 auf der Struktur abgeschieden. Die Dicke der Schicht 8 ist genügend groß, um das Kompartiment in zwei Teile aufzutrennen und damit zwei Nanometer-Kanäle oder geschlossene Kompartimente 9 auszubilden.
Auf die gleiche Weise ist es möglich, Kanäle mit isolierten Seitenwänden herzustellen. Solche Kanäle lassen sich für fluidische Anwendungen oder andere Trennverfahren sowie sensorische Anwendungen nutzen.
5a–d zeigt im Querschnitt die schematische Abfolge von Verfahrensschritten zur Herstellung eines Nano-Abstands (nano-gap) zwischen mindestens zwei metallischen Elektroden.
In diesem Fall umfasst das Substrat 1 einen Isolator bzw. einen Halbleiter 10, bedeckt mit einer Metallschicht 11. Zunächst erfolgt die Abscheidung einer zweiten Metallschicht 2 auf der ersten Metallschicht 11. Die Strukturierung der zweiten Metallschicht 2 zu einer Metallmaske 2a mit einer Strukturgröße 3, erfolgt durch Photolithographie. Die vollständige Umwandlung der Metallmaske 2a zu einer Metalloxidschicht erfolgt mittels thermischer Oxidation bei einer Temperatur, bei der die erste Metallschicht 11 (z. B. aus Pt, Pd, Au usw.) nicht oxidiert.
Die erste Metallschicht und die zweite Metallschicht unterscheiden sich also in diesem Punkt.
Es kommt zur Ausbildung einer selbstjustierenden Me talloxidmaske 4 mit reduzierter Breite 3a. Sodann wird die erste Metallschicht 11 unter Zuhilfenahme der Metalloxidmaske 4, zur Realisierung eines Abstandes 12 im Nanometerbereich zwischen den zwei Metallelektroden 11a, geätzt.
Auch hier kann der Nano-Abstand 12 mit unterschiedlichen chemisch und/oder biologisch sensitiven Materialien modifiziert werden, so dass eine Immobilisierung derselben auf oder in der Nanostruktur erfolgt (z. B. von Enzymen, Proteinen, DNA, etc.), um chemische oder biologische Sensoren im Nanometer-Maßstab aufzubauen.
Darüber hinaus kann eine solche Anordnung interessant sein für Grundlagenuntersuchungen von Molekülen, zur bioinformatischen Signalweiterleitung, zu Ladungstransportmessungen und zur direkten Messung von elektrischen Eigenschaften einzelner Moleküle.
6 zeigt im Querschnitt ein Ausführungsbeispiel zur Herstellung eines Dünnschicht Feldeffekttransistors bzw. eines organischen Feldeffekttransistors mit einem kurzem Kanal im Nanometerbereich.
In diesem Fall umfasst das Substrat 1 einen Metall-Isolator-Halbleiter bzw. eine Struktur aus einem Metall-Isolator-Metall. Nach Ausbildung eines Nanometer-Gaps zwischen zwei Metallelektroden 11a unter Zuhilfenahme der Metalloxidmaske 4 kann ein anorganischer (z. B. Si, CdS, PbS, CdSe, CdTe, etc.) oder organischer Halbleiter als Schicht 15 zur Erzeugung des jeweiligen Transistors abgeschieden werden. Das Halbleiter- oder Metallsubstrat 13 dient gleichzeitig als Gatelektrode. Die Isolatorschicht 14 muss genügend dünn sein, um den Feldeffekt im Kanalbereich 15a der Schicht 15 zwischen zwei Metallelektroden 11a umsetzen zu können.
Eine zusätzliche Immobilisierung unterschiedlicher chemisch und/oder biologisch sensitiver Materialien (z. B. von Enzymen, Proteinen, DNA, etc.), ermöglicht die Realisierung von speziellen Chemo- und Biosensoren auf Basis der Dünnschicht-Feldeffekttransistoren bzw. der organischen Feldeffekttransistoren.
In 7a–c ist im Querschnitt ein Verfahren zur Herstellung von Nano-Elektroden bzw. eines Nano-Elektrodenarrays 16 gezeigt.
Das Substrat umfasst einen Isolator 10, bedeckt mit einer mit konventioneller Photolithographie strukturierten Metallschicht 11a. Diese dient als Elektrodenschicht und besteht z. B. aus Platin, Palladium oder Gold (Au). Dann wird eine zweite Metallschicht 2 auf der gesamten Struktur abgeschieden und zu einer Metallmaske 2a mit Öffnungen 3 mit der photolithographisch limitierenden Auflösung und der gewünschten Elektrodengeometrie (z. B. Kreis, Quadrat, etc) strukturiert. Danach wird die Metallmaske 2a vollständig zu Metalloxidschicht mittels thermischer Oxidation umgewandelt, bei einer Temperatur, die zu keiner thermischen Oxidation der strukturierten Metallschicht 11a führt. Es kommt zur Ausbildung einer selbstjustierenden Metalloxidmaske 4 mit reduzierter Größe für die Öffnungen 3a, die die Strukturgröße von Elektroden bzw. Elektrodenarrays 16 definiert. Diese sind deutlich kleiner, als die, die mit optischer Lithographie erreicht werden können. Damit lassen sich Metallelektroden 16 oder eine Vielzahl hiervon für ein Metallelektrodenarray im Nanometerbereich ausbilden.
Eine zusätzliche Immobilisierung derartiger Nano-Elektroden bzw. des Nano-Elektrodenarrays mit unterschiedlichen chemisch und/oder biologisch sensitiven Materialien (z. B. von Enzymen, Proteinen, DNA, etc.), ermöglicht die Realisierung von speziellen Chemo- und Biosensoren.
8 zeigt im Querschnitt eine weitere Ausführungsform zur Herstellung von Nano-Elektroden 17 oder eines Nano-Elektrodenarrays, welches mittels electrochemischer Metallabscheidung in den Öffnungen der Struktur, die in 7c gezeigt sind, ausgebildet ist.
Ebenso können auf diese Art und Weise metallische Nano-Punkte (dots), elektrische Nano-Leitbahnen bzw. Nano-Drähte hergestellt werden. Es ist auch möglich, unterschiedliche Metalle selektiv abzuscheiden, um Nanoelektroden bzw. Nanoelektroden-Array auf unterschiedliche Art herzustellen. Die Nanoelektroden können wiederum entsprechend mit chemisch und/oder biologisch aktiven Molekülen für sensorische Anwendungen oder Grundlagenuntersuchungen modifiziert werden.
Neben den oben beschriebenen Möglichkeiten in den Ausführungsbeispielen biologische und/oder chemische Materialien an bzw. in die Nanostrukturen einzubringen, sind alle Anordnungen, die man aus dem Bereich der Mikrostrukturierung kennt, auch im Nanometermaßstab übertragbar.

Claims

Verfahren zur selbstjustierenden Verkleinerung von Strukturen in einer Schichtenfolge, bei der zumindest eine Metall-Schicht auf einem Substrat angeordnet ist und die zu verkleinernde Struktur durch die mindestens eine Metall-Schicht begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Metall-Schicht durch Oxidation vollständig in ein Metalloxid umgewandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metall-Schicht vor der Oxidation photolithographisch strukturiert wurde.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die verkleinerten Strukturen Abmessungen im Bereich von 1 bis 130 Nanometer aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Metall Tantal, Titan, Chrom, Aluminium oder Zirkonium gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Isolator- und/oder Halbleitermaterial als Substrat.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidation thermisch oder anodisch erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gebildete Metalloxid als Maske für weitere Strukturierungen verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Schichten abgeschieden werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Substrat gewählt wird, dass ein Metall umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestandteile des Substrats während der Oxidation nicht oxidieren.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Metallschichten angeordnet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidationsbedingungen so gewählt werden, dass verschiedene Metallschichten in unterschiedlichem Grad oxidieren.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat nach Verkleinerung der Struktur anisotrop oder isotrop geätzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Metallelektroden hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden mittels elektrochemischer Metallabscheidung gebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden in den Öffnungen von Metallschichten und/oder Metalloxidschichten gebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass Elektroden aus Platin oder Palladium oder Gold hergestellt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Elektrodenarray ausgebildet wird.
Feldeffekttransistor, umfassend eine Struktur, hergestellt nach einem der vorhergehenden Patentansprüche.
Sensor, umfassend eine Struktur, hergestellt durch ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Sensor nach vorhergehendem Anspruch, gekennzeichnet durch chemische und/oder biologische Erkennungselemente wie Ionen, gas-sensitive Materialien, Enzyme, Proteine und/oder Nukleinsäuren.