ФОРМИРОВАНИЕ НАНОКЛАСТЕРОВ В СТРУКТУРАХ Si/SiO2 ПРИ ОКИСЛЕНИИ СЛОЕВ

SiGe, SiAu и SiPt: СТРУКТУРНЫЕ И ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ

СВОЙСТВА

А.Г. Новиков1, П.И. Гайдук1, К.Ю. Максимова2, А.В. Зенкевич2

1Белорусский государственный университет, г. Минск2НИЯУ «Московский инженерно-физический институт», г. Москва

E-mail: nowikow@biz.by

Кремний – 2010, 6 – 9 июля, Н. Новгород

БГУ Кремний – 2010, 6 – 9 июля, Н. Новгород

Предпосылки проведения исследований:

- снижение рабочего напряжения - длительное хранение информации- уменьшение времени записи/считывания

Уменьшение DSiO2

БГУ Кремний – 2010, 6 – 9 июля, Н. Новгород

Si толщиной 40-70 нмСлой Ge – 0.5-1 нм

Туннельный SiO2

(001) - Si подложка

Метод МЛЭ всё ещё слишком дорог и не пригоден для серийного производства

1. A. Kanjilal, J. Lundsgaard Hansen, P.I. Gaiduk et.al. “Structural and electrical properties of silicon dioxide layers with embedded germanium nanocrystals grown by molecular-beam epitaxy”, Appl. Phys. Lett., vol. 82, p. 1212-1214, 2003

2. A. Kanjilal, J.L.Hansen, P.I.Gaiduk et.al. “Size and aerial density distributions of Ge nanocrystals in a SiO2 layer produced by molecular beam epitaxy and rapid thermal processing”, Appl. Phys. Vol. A81, p.363-366, 2005

Предпосылки проведения исследований:

БГУ Кремний – 2010, 6 – 9 июля, Н. Новгород

Сегрегационное оттеснение малорастворимых примесей фронтом термического окисления Si

T T

Si (100) Si (100) Si (100)

SiO2 SiO2 SiO2

SiO2

SiO2

Основная причина:Низкая растворимость Ge в диоксиде кремния (менее 0,1 ат.%)

Ge

БГУ Кремний – 2010, 6 – 9 июля, Н. Новгород

poly -poly - SiSi1-x1-xGeGexx, , SiSi1-x1-xMeMexx

(x=0.04–0.05), 22 (x=0.04–0.05), 22 нмнм

Si (100)Si (100)

T T 00CC

- GeGe or Me or Me clustercluster

Вид исходной структуры и трансформация слоев после термообработок в настоящем

подходе

Si (100)Si (100)Tunnel SiO2

SiGeSiO2

БГУ Кремний – 2010, 6 – 9 июля, Н. Новгород

Основные шаги процесса формирования МОП структур на основе Ge и металлов:

1. Термический рост однородного, туннельного слоя SiO2 толщиной 6 нм на химически очищенной 100 мм Si подложке (КЭФ-4,5) ориентации (001);

2. Осаждение методом LP CVD слоя SiGe сплава толщиной 22 nm проводилось при температуре 560 °C в потоках SiH4 – GeH4/H2 A. Novikau, P. Gaiduk Cent. Eur. J. Phys. V. 8(1), p. 57, (2010)

3. Формирование аморфных слоёв Si:Me с заданным соотношением атомных концентраций Si/Me производилось путем последовательного осаждения субмонослой ных покрытий из элементных мишеней Si и Ме (Me = Au, Pt) методом импульсного лазерного осаждения ИЛОК.Ю. Максимова, А.Г. Новиков и др. Перспективные Материалы №2, С. 33, (2010)

4. Равновесное термическое окисление: при температуре 640 – 900 C и длительности 15 – 540 минут во влажном и сухом кислороде; 5. Процесс редукции производился при отжиге в атмосфере N2 при температурах 900 - 950 °C и длительностях до 180 мин.

БГУ Кремний – 2010, 6 – 9 июля, Н. Новгород

0

1000

2000

3000

200 250 300

as grownWet Oxidation 850 0С, 30 min

Channel

Nor

mal

ized

yie

ld, r

el. u

n.

300

600

900

1200

300 320

Ge loss ~ 30%

Channel

Nor

mol

ized

Yie

ld

Ge

Ge

Si

Si

O

200 250 300 350 400 450

Channel

0

2

4

6

8

10

Nor

mal

ized

Yie

ld1.0 1.2 1.4 1.6

Energy (MeV)

380 390 400 410 420 430 440 450

Channel

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Nor

mal

ized

Yie

ld

1.55 1.60 1.65 1.70 1.75

Energy (MeV)

Процесс сегрегации Ge после термического окисления исследован методом РОР

Wet oxidation

Dry oxidation

БГУ Кремний – 2010, 6 – 9 июля, Н. Новгород

Процесс сегрегации Pt и Au после

термического окисления

200 300 400 5000

200

400

600

800

1000

1200

исходный образец SiAu

окисленный при 725 0C, 60 min

окисленный при 650 0C, 60 min

окисленный при 690 0C, 120 min

Вы

хо

д и

он

ов

, о

тн.е

д.

Номер канала

450 460 470 480 490 500 5100

200

400

600

800

1000 исходный (точка 2)

окисленный при 725 0C, 60 min

окисленный при 650 0C, 60 min

окисленный при 690 0C, 120 min

Вы

хо

д и

он

ов

, о

тн.е

д.

Номер канала

Условия РОР:1.5 МэВ, ионы Не+

Exit angel – 135 ° (det. “B”)

БГУ Кремний – 2010, 6 – 9 июля, Н. Новгород

1. Большинство точек имеют размер от 4 до 20 нм;2. Плотность кластеров ~ 2x1011 см-2. 3. Существенная неоднородность по размерам;

Нанокристаллы Ge имеют темный контраст на сером фоне SiO2

Si - подложка75 нм 50 нм

Формирование кластеров Ge при термическом окислении слоев SiGe:

результаты ПЭМ

PV-TEM XTEM

БГУ Кремний – 2010, 6 – 9 июля, Н. Новгород

с - Si

SiO2

НК - PtSi

Формирование кластеров

PtSi и Au при термическом окислении

Si0.97Pt0.03

T = 640 °C, t = 60 мин

Si0.95Au0.05

A - T = 725 °C, t = 60 минБ - T = 725 °C, t = 120 мин

БГУ Кремний – 2010, 6 – 9 июля, Н. Новгород

1 2 3 40,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

-1 0 1 2

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Напряжение на затворе (V)

C/C

ox 0,87 В 0,4 В

1 3 2

Si (100)Si (100)

SiOSiO22

SiOSiO22

C1 C2

Высокочастотные (1 МГц) вольт-фарадные характеристики для МОП конденсаторов, содержащих слой Ge кластеров.

1 – окисленние в атмосфере влажного кислорода при 850 ○С 15 мин; 2 – окисленние в атмосфере сухого кислорода при 850 ○С 60 мин; 3 – С-V характеристика структуры Si/SiO2 с чистым SiO2.

БГУ Кремний – 2010, 6 – 9 июля, Н. Новгород

-6 -4 -2 0 2 45

10

15

20

25

30А

1 2

Ем

кост

ь, п

Ф

Напряжение смещения, В -6 -4 -2 0 2 44

6

8

10

12

14

16

18

20 Б

1 2Е

мко

сть,

пФ

Напряжение смещения, В

Высокочастотные (1 МГц) вольт-фарадные характеристики для МОП конденсаторов,

сформированных при окислении слоев SiPt и SiAu

(Б) –образец Si:Pt после ТО: 1 – окисление 9 часов при 640 °С, 2 – окисление 5 часов при 640 °С

(А) – образец Si:Au после ТО 1 – окисление 9 часов при 640 °С, 2 – окисление 5 часов при 640 °С;

1.8 В

1.1 В

БГУ Кремний – 2010, 6 – 9 июля, Н. Новгород

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 101E-10

1E-9

1E-8

1E-7

1E-6

1E-5

1E-4 ТО SiGe в сухом кислороде ТО SiGe во влажном кислороде ТО чистого кремния Si:Pt, окисленный 5 часов при 640 °С Si:Au, окисленный 9 часов при 640 °С

Пл

отн

ость

то

ка у

теч

ки, A

/см2

Напряжение на затворе, В

Вольт-амперные характеристики для МОП конденсаторов, сформированных при окислении слое

SiGe, SiPt и SiAu в сравнении с МОП структурой на основе чистого SiO2

БГУ Кремний – 2010, 6 – 9 июля, Н. Новгород

Заключение:- Показано, что величина гистерезиса существенно зависит как от режима и атмосферы термообработок, так и от типа НК. При анализе ВФХ установлено, что при подаче на тестовую структуру МОП конденсатора с НК-Ge напряжения инверсии в 5 В величина гистерезиса C-V характеристики составляет 0,87 В для случае сухого окисления и 0,4 В для случая влажного окисления. - Величина гистерезиса ВФХ на структурах с НК-Au достигает 1,8 В при подача напряжения смещения 5 В. Качество сформированных МОП структур улучшается при использовании окисления в сухом кислороде и при снижении температуры окисления вплоть до 640 °С, что подтверждается данными ВАХ. - Показано, что структуры Si/SiO2 с НК металлов являются перспективными для разработки на их основе устройств энергонезависимой памяти.