Способ выращивания эпитаксиальной пленки дисилицида европия на кремнии



Способ выращивания эпитаксиальной пленки дисилицида европия на кремнии
Способ выращивания эпитаксиальной пленки дисилицида европия на кремнии
Способ выращивания эпитаксиальной пленки дисилицида европия на кремнии
Способ выращивания эпитаксиальной пленки дисилицида европия на кремнии

 


Владельцы патента RU 2615099:

Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" (RU)

Изобретение относится к способу получения эпитаксиальной пленки дисилицида европия на кремниевой подложке и может быть использовано для создания контактов истока/стока в технологии производства полевых МОП транзисторов с барьером Шоттки (SB-MOSFET), а также для создания устройств спинтроники в качестве контакта-инжектора/детектора спин-поляризованных носителей. Способ заключается в осаждении атомарного потока европия с давлением PEu=(0,5÷5)×10-8 Торр на предварительно очищенную поверхность подложки Si(001), нагретую до Ts=400±20°C, до формирования пленки дисилицида европия требуемой толщины. При достижении толщины пленки 100 Å и более, дальнейшее осаждение производится при Ts=560±20°C до формирования пленки дисилицида европия требуемой толщины. Техническим результатом изобретения является формирование эпитаксиальных пленок EuSi2 методом молекулярно-пучковой эпитаксии, что позволяет достичь необходимого в микроэлектронике качества контактов. 4 ил., 3 пр.

 

Область техники

Изобретение относится к способам получения эпитаксиальных тонкопленочных материалов, а именно дисилицида европия. В контакте с кремнием данный материал образует минимальной среди силицидов редкоземельных металлов барьер Шоттки. Благодаря этому факту эпитаксиальный контакт EuSi2/Si имеет большой потенциал в микроэлектронике, и предложенная процедура его формирования может быть использована для создания контактов истока/стока в технологии производства полевых транзисторов с барьером Шоттки (SB-MOSFET). Вместе с тем, в антиферромагнитной фазе при температурах ниже 40 К, EuSi2 может быть задействован для создания устройств спинтроники в качестве контакта-инжектора / детектора спин-поляризованных носителей в кремнии.

Уровень техники

Известно изобретение «Способ получения мезотоксиальных слоев дисилицида кобальта в кремнии» (Патент SU 1795821 A1), в котором заглубленные в кремний слои дисилицида кобальта получают путем ионной имплантации Co в кремний и последующим отжигом. Недостатком такого метода являются проблематичность создания тонких (<10 нм) слоев, необходимых в микроэлектронике.

Известен способ формирования силицидов металлов, включающий осаждение металлического слоя на кремний и последующее его плавление под воздействием компрессионного плазменного потока (Патент RU 2405228 C2). Недостатком данного метода является невысокое кристаллическое качество получаемых слоев силицидов, а также градиент концентрации элементов вдоль толщины пленки.

Известно изобретение «Метод формирования пленки силицида металла» (Патент № US 5047111 A), заключающееся в создании слоистой сверхструктуры металл/кремний и последующем отжиге данной структуры, приводящем к образованию монокристаллического слоя силицида. Недостатком данного метода является необходимость использования потока атомов Si, а также невозможность получения с его помощью эпитаксиальных структур EuSi2.

Известно изобретение «Метод формирования пленок силицидов металлов на подложках кремния путем осаждения ионного пучка» (Патент № US 4908334 A), в котором однородные стехиометрические, имеющие большой размер зерен и низкое сопротивление пленки силицидов металлов получаются путем осаждения низкоэнергетических ионов металлов на поверхность нагретой (для увеличения скорости диффузии) пластины кремния. Недостатком этого метода является более трудоемкий (по сравнению с термическим испарением) процесс формирования ионного пучка.

Также известен патент РФ 2557394 «Способ выращивания эпитаксиальных пленок монооксида европия на кремнии», в котором методом молекулярно-пучковой эпитаксии формируют субмонослой силицида европия при температуре подложки Ts=640÷680°C и давлении потока атомов европия PEu=(1÷7)⋅10-8 Торр, после чего осаждение проводят при температуре подложки Ts=340÷380°C, давлении потока кислорода POx=(0,2÷3)⋅10-8 Торр и давлении потока атомов европия PEu=(1÷4)⋅10-8 Торр, затем осаждение проводят при температуре подложки Ts=430÷490°C, потоке кислорода с давлением POx=(0.2÷3)⋅10-8 Торр, и потоке атомов европия с давлением PEu=(1÷7)⋅10-8 Торр. В процедуре также предусмотрен ряд отжигов в вакууме:

- промежуточный отжиг после осуществления первой стадии (Ts=340÷380°C) роста, осуществляемый при температуре Ts=490÷520°C;

- конечный отжиг в диапазоне температур Ts=500÷560°C

Однако заявленные условия формирования не позволяют получить высококачественных пленок EuSi2 в контакте с кремнием.

Известны изобретения «Гетероструктуры силицид металла-кремний» и «Метод для производства гетероструктур силицид металла-кремний» (Патенты №№ US 4492971 A и US 4554045 A), в которых слой силицида металла формируется путем одновременного осаждения на поверхность кремния, нагретую до Ts=550÷850°C, атомов кремния и металла из соответствующих атомарных потоков или путем осаждения на поверхность кремния лишь атомов металла. Недостатком первого способа, описанного в этом методе, является необходимость использования дополнительного потока атомов кремния. Второй способ является ближайшим аналогом предлагаемого нами технического решения. Однако заявленные условия формирования не позволяют получить высококачественных пленок EuSi2 в контакте с кремнием.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом настоящего изобретения является формирование эпитаксиальных пленок EuSi2 методом молекулярно-пучковой эпитаксии, что позволяет достичь необходимого в микроэлектронике качества контактов.

Для достижения технического результата предложен способ выращивания эпитаксиальных пленок EuSi2 на кремниевой подложке методом молекулярно-пучковой эпитаксии, заключающийся в осаждении атомарного потока европия с давлением PEu=(0,5÷5)×10-8 Торр на предварительно очищенную поверхность подложки Si(001), нагретую до Ts=400±20°C до формирования пленки дисилицида европия требуемой толщины.

При этом при достижении толщины пленки 100 Å и более, дальнейшее осаждение производят при Ts=560±20°C до формирования пленки дисилицида европия требуемой толщины.

В установках молекулярно-пучковой эпитаксии обычно имеет место неоднозначная трактовка температур подложки. В настоящем изобретении температурой подложки считается температура, определяемая по показаниям инфракрасного пирометра. Давлением потока считается давление, измеренное ионизационным манометром, находящимся в положении подложки.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами:

На Фиг. 1 даны изображения дифракции быстрых электронов вдоль азимута [110] подложки Si(001) на разных стадиях формирования дисилицида Eu: (a) - Исходная поверхность Si(001): реконструкция (2×1)+(1×2); (b) - 30 А выращенного EuSi2 при 400°C; (c) - 50 А выращенного EuSi2 при 400°C; (d) - окончание роста при 400°C, 530 А выращенного EuSi2; (e) - окончание роста при 560°C, 560 А выращенного EuSi2.

На Фиг. 2 показана рентгеновская дифрактограмма образца SiOx/EuSi2/Si(001). На вкладке рисунка показан участок, содержащий пик EuSi2 (004). Осцилляции интенсивности говорят об атомно-резких границах раздела EuSi2/Si(001) и SiOx/EuSi2. Рефлексы, помеченные*, относятся к дифракции от кремниевой подложки.

На Фиг. 3 показана структура контакта EuSi2/Si(001) в системе SiOx/EuSi2/Si(001), полученная методами просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). а, Светлопольный снимок ПЭМ поперечного среза с низким увеличением вдоль оси зоны [110] подложки Si(001), показывающий отсутствие побочных фаз. b, Снимок электронной дифракции на пленке EuSi2, совмещенный с дифракцией от подложки Si(001), показывающий их взаимную ориентацию, с, Светлопольный снимок ПЭМ поперечного среза со средним увеличением границы раздела EuSi2/Si. d, Светлопольный снимок ПЭМ поперечного среза с высоким увеличением, демонстрирующий структуру границы раздела EuSi2/Si(001) на атомарном уровне.

На Фиг. 4 продемонстрированы вольт-амперные характеристики барьера Шоттки, образованного в структуре EuSi2/n-Si, измеренные для ряда температур от 160 К до 300 К с шагом 20 К. На вкладке рисунка показана линеаризованная температурная зависимость тока насыщения от обратной температуры, использованная для определения высоты барьера Шоттки.

Осуществление изобретения

Пример 1 осуществления способа изобретения.

Подложка Si(001) помещается в сверхвысоковакуумную камеру (остаточный вакуум Р<1⋅10-10 Торр). Затем для удаления с поверхности подложки слоя естественно оксида осуществляется прогрев подложки до температуры Ts=900÷1100°C. Факт очистки поверхности от оксида устанавливается с помощью дифракции быстрых электронов: в направлениях [110] появляется картина реконструкции (1×2)+(2×1). После этого подложка остужается до Ts=400±20°C и происходит открытие заслонки ячейки Eu, прогретого до такой температуры (~500°C), чтобы обеспечивать давление потока атомов Eu РEu=(0,5÷5)×10-8 Торр. Ростовой цикл длится до получения пленки необходимой толщины. Нами были выращены пленки толщиной до 150 нм. Для предотвращения воздействия на EuSi2 воздуха при выносе образца из камеры, по окончании роста пленка закрывается сплошным защитным слоем, например, Al или оксидом кремния толщиной от 2 нм.

Пример 2.

Ростовой цикл при температуре подложки Ts=400±20°C, описанный в Примере 1, длится до формирования пленки EuSi2 толщиной 100 Å и более, затем температура подложки повышается до 560±20°C, при которой производится последующий рост. В процессе подъема температуры ростовой процесс может не прерываться. Длительность второй стадии при повышенной температуре составляет 10 мин и более. После этого образец также покрывается защитным слоем.

Контроль за состоянием пленки производится in situ с помощью дифракции быстрых электронов. Динамика картин дифракции в процессе роста показана на Фиг. 1. Выход за пределы описанных режимов может привести к формированию поликристаллической пленки EuSi2, слоя Eu или других фаз силицидов Eu, что недопустимо при изготовлении контакта.

Исследования изготовленных образцов с помощью рентгеновской дифрактометрии (Фиг. 2) показали, что пленки EuSi2 являются монокристаллическими и имеют ориентацию (001), как и подложка кремния. Определенный по положению пиков параметр решетки EuSi2 составляет d=13.633±0.006 Å, что соответствует параметру решетки массивных трехмерных образцов EuSi2. Также следует отметить, что осцилляции интенсивности вблизи пика EuSi2(004) (вкладка Фиг. 2) говорят об атомарной гладкости границы раздела EuSi2/Si и SiOx/EuSi2.

Исследование образцов с помощью просвечивающей электронной микроскопии доказывает отсутствие посторонних фаз, однородность пленок вдоль толщины (Фиг. 3a), ориентированность кристаллической структуры EuSi2 относительно подложки (Фиг. 3b), т.е. эпитаксиальный рост пленки EuSi2, а также резкость границ раздела EuSi2/Si и SiOx/EuSi2 (Фиг. 3a, Фиг. 3c, Фиг. 3d).

Асимметричные вольт-амперные характеристики структуры EuSi2/n-Si, измеренные в диапазоне температур 160÷300 К, показаны на Фиг. 4. При небольшом напряжении смещения характеристики являются экспоненциальными. Определенная по линейной зависимости тока насыщения от обратной температуры высота барьера Шоттки составляет 0,21±0,1 эВ, что значительно меньше значений, полученных для других силицидов редкоземельных металлов.

Пример 2.

Очистка поверхности кремниевых подложек от атмосферного оксида происходит путем их нагрева до температуры Ts=770÷800°C и экспонирования в потоке атомов Eu с давлением PEu=(0,1÷5)×10-8 Торр. В остальном способ реализуется как в Примерах 1, 2.

Пример 3.

Очистка подложки кремния от естественного оксида производится перед ее загрузкой в камеру промыванием в 5% водном растворе HF, при этом достигается пассивация связей кремния ионами H+, которые впоследствии при прогреве десорбируются с поверхности. В остальном способ реализуется, как в Примерах 1, 2.

Таким образом, изобретение позволяет получать пленки EuSi2 на Si(001), которые:

- являются эпитаксиальными;

- не содержат посторонних фаз;

- обладают резкими границами раздела EuSi2/Si и защитный слой/EuSi2;

- являются однородными вдоль толщины;

- в контакте с кремнием n-типа образуют барьер Шоттки высотой 0,21±0,1 эВ, что значительно меньше значений, полученных для других силицидов редкоземельных металлов.

Способ выращивания эпитаксиальной пленки дисилицида европия на кремниевой подложке, включающий осаждение атомарного потока европия молекулярно-пучковой эпитаксией, отличающийся тем, что поверхность кремниевой подложки Si(001) предварительно очищают, нагревают до Ts=400±20°С и осуществляют осаждение атомарного потока европия с давлением PEu=(0,5÷5)×10-8 Торр до достижения толщины пленки 100 Å и более, а затем температуру подложки повышают до Ts=560±20°С и производят осаждение до формирования пленки дисилицида европия заданной толщины.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к способу получения тонких аморфных пленок халькогенидных стеклообразных полупроводников с эффектом фазовой памяти и может быть использовано в качестве рабочего слоя в устройстве энергонезависимой фазовой памяти для электронной техники.

Изобретение относится к технологии получения монокристаллического SiC - широкозонного полупроводникового материала, используемого для создания на его основе интегральных микросхем.

Изобретение относится к сублимационному выращиванию эпитаксиальных массивов самоорганизованных монокристаллических наноостровков кремния на сапфировых подложках и может быть использовано в качестве нанотехнологического процесса, характеризующегося повышенной стабильностью формирования однородных по размерам наноостровков кремния с пониженной степью дефектности их структуры.

Изобретение относится к области технологий осаждения полупроводниковых наночастиц халькогенидов свинца на прозрачные диэлектрические поверхности и может быть использовано при получении новых устройств на основе наносистем для микро- и оптоэлектроники, солнечных батарей, светодиодных ламп и других областей полупроводниковой техники.

Изобретение относится к технологии эпитаксии кремний-германиевой гетероструктуры, основанной на сочетании сублимации кремния с поверхности источника кремния, разогретого электрическим током, и осаждения германия из германа в одной вакуумной камере, и может быть использовано для производства полупроводниковых структур.

Изобретение относится к технологии микроэлектроники и может быть использовано для получения слоев карбида кремния при изготовлении микроэлектромеханических устройств, фотопреобразователей с широкозонным окном 3С-SiC, ИК-микроизлучателей.

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых материалов. Способ изготовления изделий, содержащих кремниевую подложку с пленкой карбида кремния на ее поверхности, осуществляется в газопроницаемой камере, размещенной в реакторе, в который подают смесь газов, включающую оксид углерода и кремнийсодержащий газ, при этом давление в реакторе 20-600 Па, температура 950-1400°C.

Изобретение относится к технологии полупроводниковых структур для приборов электронной техники. Изобретение обеспечивает возможность прецизионного варьирования в широких пределах концентрацией легирующей примеси в выращиваемой структуре путем изменения температуры и агрегатного состояния источника примеси из напыляемого легированного материала.

Изобретение относится к технологии получения массивов наноколец различных материалов, используемых в микро- и наноэлектронике. Сущность изобретения: в способе получения массивов наноколец, включающем подложку с нанесенными полистирольными сферами, с нанесенным затем слоем металла и последующим травлением, в качестве подложки используют упорядоченные пористые пленки, а расположение наноколец задается расположением пор в пленочном материале с использованием подходов самоорганизации.
Изобретение относится к материаловедению, а именно к технологии получения тонких пленок. .

Изобретение относится к изготовлению теплоизлучающих элементов. Способ включает размещение сетки на основе, изготовленной из первого металлического материала, и формирование на поверхности основы теплоизлучающей ячейки либо путем распыления гранулированных частиц, полученных из второго металлического материала, оксид которого имеет коэффициент отражения 70% и более, отличного от первого металлического материала, и частиц из оксида второго металлического материала, либо путем напыления металлических частиц, изготовленных из второго металлического материала, и их окисления, при этом формирование осуществляют таким образом, что зона контакта ячейки с основой составляет 1 мм2 и менее, после чего сетку удаляют.

Изобретение относится к области физики наноразмерных структур, а именно способу получения тонких металлических пленок, которые могут быть использованы в качестве тест объектов оптических приборов.

Способ включает размещение изделия с жаростойким покрытием в камере распыления, заполненной смесью кислорода и инертного газа, нагрев изделия, магнетронное распыление мишени из сплава на основе циркония с образованием керамического слоя и термообработку изделия и отличается тем, что нагрев изделия осуществляют хотя бы частично потоком газоразрядной магнетронной плазмы до температуры 200-800°C и используют мишень из сплава циркония, иттрия, гадолиния и гафния следующего состава, мас.%: иттрий - 6-10, гадолиний - 6-10, гафний 3-7, цирконий - остальное.

Изобретение относится к области физики наноразмерных структур, а именно способу получения тонких металлических пленок, в частности, системы Ni-Al. На стеклянную подложку в вакууме при остаточном давлении не ниже 10-5 Торр наносят не менее шести металлических слоев толщиной 30-60 нм в последовательности Ni/Al/Ni/Al/Ni/Al и осуществляют химическую реакцию между слоями путем нагрева многослойной тонкопленочной металлической системы от комнатной температуры до 600°C с умеренной скоростью 1 град/с для осуществления объемного синтеза.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Наносят нижний слой из нитрида титана.

Изобретение относится к области физики низкоразмерных структур, а именно способу получения квазимонокристаллической интерметаллической тонкой пленки с наноразмерной структурой, и может быть использовано в различных высокотехнологичных областях промышленности и науки для создания наноструктурных материалов.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Наносят нижний слой из нитрида титана.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Наносят нижний слой из нитрида титана, промежуточный слой из нитрида соединения титана и циркония при их соотношении, мас.%: титан 85,0-91,0, цирконий 9,0-15,0, а верхний слой из нитрида соединения титана, циркония и хрома при их соотношении, мас.%: титан 78,0-86,0, цирконий 6,0-10,0, хром 8,0-12,0.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Наносят нижний слой из нитрида титана.

Изобретение относится к способу нанесения многослойного покрытия на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Сначала наносят нижний слой из нитрида титана.

Изобретение относится к способу получения износостойких покрытий на режущем инструменте. Осуществляют предварительную очистку поверхности инструмента и последующее вакуумно-дуговое осаждение покрытия при испарении катодов, содержащих титан и никель, в реакционном газе-азоте.
Наверх