Способ выращивания эпитаксиальных пленок дисилицида стронция на кремнии

Способ выращивания эпитаксиальных пленок дисилицида стронция на кремнии

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Изобретение относится к способам получения эпитаксиальных тонкопленочных материалов, а именно новой фазы hP3 дисилицида стронция. Силицид стронция в контакте с кремнием имеет низкий барьер Шоттки. Благодаря этому факту эпитаксиальный контакт SrSi₂/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 дисилицид стронция может быть использован при проведении экспериментов, в которых фазы стронция и кремния будут сегрегировать, что позволит создавать и изучать новые материалы и структуры на основе силиценовой решетки.

Уровень техники

Известны способы формирования силицидов металлов, включающие осаждение металлического слоя на кремний и последующее его плавление под воздействием компрессионного плазменного потока (Патенты №№ RU 2405228 С2 и US 6387803). Недостатком методов является низкое кристаллическое качество получаемых слоев силицидов, а также неоднородность пленки вдоль толщины из-за малой длительности лазерного импульса при плавлении металла и кремния.

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

Известны патенты «Метод формирования пленки силицида металла», «Формирование силицида одновременным напылением металла и кремния», «Гетероструктуры силицид металла-кремний» и «Метод для производства гетероструктур силицид металла-кремний» (№№ US 5047111 А, ЕР 1524687 А1, US 4492971 A, US 4554045 А и US 4468308 А), в которых слой силицида металла формируется путем одновременного осаждения на поверхность кремния и металла с параллельным или последующим нагревом для осуществления интердиффузии металла и кремния. Недостатком данных методов является необходимость использования потока атомов Si, а также невозможность получения с его помощью эпитаксиальных структур SrSi₂.

Известны патенты «Силиценовый нанокомпозитный анод для литий-ионного аккумулятора» (US 20150364754), в котором силицен был получен методом сверхвысоковакуумного химического осаждения из газовой фазы и «Способ получения силицена методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) на пассивированном нитриде кремния» (ЕР 2867391). Недостатком этих методов является невозможность формирования силицена непосредственно на кремниевой подложке.

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 T_s=640÷680°С и давлении потока атомов европия P_Eu=(1÷7)⋅10^-8 Торр, после чего осаждение проводят при температуре подложки T_s=340÷380°С, давлении потока кислорода P_Ox=(0,2÷3)⋅10^-8 Торр и давлении потока атомов европия P_Eu=(1÷4)⋅10^-8 Торр, затем осаждение проводят при температуре подложки T_s=430÷490°С, потоке кислорода с давлением P_Ox=(0.2÷3)⋅10^-8 Торр и потоке атомов европия с давлением P_Eu=(1÷7)⋅10^-8 Торр. В процедуре также предусмотрен ряд отжигов в вакууме:

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

- конечный отжиг в диапазоне температур T_s=500÷560°С.

Однако данный метод не подходит для формирования SrSi₂.

Также известен патент «Метод формирования эпитаксиальных структур и контактов на основе силицида кальция» (US 5248633), где на подложке Si(111) методом МЛЭ выращивают фторид кальция с последующим отжигом для формирования эпитаксиального силицида кальция.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом настоящего изобретения является формирование эпитаксиальных пленок SrSi₂ методом МЛЭ, ориентация которых определяется подложкой, что позволит изготавливать пленки с различными заданными свойствами.

Для достижения технического результата предложен способ выращивания эпитаксиальной пленки дисилицида стронция SrSi₂ на кремниевой подложке методом молекулярно-лучевой эпитаксии, заключающийся в осаждении атомарного потока стронция с давлением P_Sr=(0,5÷3)×10-8 Торр на предварительно очищенную поверхность подложки кремния, нагретую до Ts=500±20°С до формирования пленки дисилицида стронция требуемой толщины.

При этом ориентация подложки кремния Si(001).

При этом ориентация подложки кремния Si(111).

В установках МЛЭ 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 непосредственно возле подложки.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами.

На Фиг. 1 представлены изображения дифракции быстрых электронов для двух случаев: (а) - вдоль азимута SrSi₂ на Si(111); (b) - вдоль азимута [110] SrSi₂ на Si(001).

На Фиг. 2 (а) показаны θ-2θ рентгеновские дифрактограммы образцов: (а) - SiO_x/SrSi₂/Si(111), (b) - SiO_x/SrSi₂/Si(001).

На Фиг. 3 показана структура SrSi₂ в системе SiO_x/SrSi₂/Si(111), полученная методами просвечивающей растровой электронной микроскопии (ПРЭМ). a, Темнопольное изображение поперечного среза после Фурье-фильтрации с атомарным разрешением вдоль оси зоны подложки Si(111), где яркие точки соответствуют атомам стронция, тусклые - атомам кремния. b, Модель эквивалентного вида тригонального SrSi₂. Маленькие шары соответствуют атомам кремния, большие - атомам стронция.

На Фиг. 4 приведена структура SrSi₂ в системе SiO_x/SrSi₂/Si(100), полученная методами ПРЭМ. a, b, Темнопольные изображения поперечных срезов двух типов кристаллитов SrSi₂ после Фурье-фильтрации с атомарным разрешением вдоль оси зоны [110], где яркие точки соответствуют атомам стронция, тусклые - атомам кремния. c, d, Соответствующие модели для эквивалентных видов тригонального SrSi₂. Маленькие шары соответствуют атомам кремния, большие - атомам стронция.

Осуществление изобретения

Контроль за состоянием пленки производится in situ с помощью дифракции быстрых электронов (ДБЭ). Конечная картина ДБЭ приведена на Фиг. 1.

Подложка Si(001) или Si(111) помещается в сверхвысоковакуумную камеру (остаточный вакуум Р<1×10^-10 Торр). Затем для удаления с поверхности подложки слоя естественного оксида осуществляется прогрев подложки до температуры T_s=900÷1100°С. Факт очистки поверхности подложки от оксида устанавливается с помощью дифракции быстрых электронов: в случае кремния с ориентацией (001) наблюдалась реконструкция (2×1)+(1×2), в случае кремния с ориентацией (111) - (7×7). После этого подложка остужается до ростовой температуры T_s=500±20°С и происходит открытие заслонки ячейки Sr, прогретого до такой температуры (~250°С), чтобы обеспечивать давление потока атомов Sr P_Sr=(0,5÷2)×10^-8 Торр), что соответствует скорости роста . Все температуры подложки указаны по пирометру, температура ячейки - по термопаре.

Осуществление роста SrSi₂ на Si(001)

При открытии потока Sr на картинах ДБЭ, снимаемых в азимуте (направление падения луча относительно кремния) [110], наблюдается стандартная последовательность поверхностных фаз 2×1→2×3→1×2→1×5→1×3. После этого картина от Si медленно затухает и появляются хорошо различимые рефлексы от тригонального SrSi₂. Анализ различных азимутов ДБЭ позволяет установить, что присутствуют кристаллиты двух ориентаций, латерально развернутые относительно друг друга на 90 градусов: , у кристаллитов первого типа и , у кристаллитов второго типа. Таким образом, у кристаллитов обоих типов . Рассчитанные по расстоянию между тяжами параметры решетки SrSi₂ составляют: d₁=3,96±0,02 и d₂=5,16±0,03 .

Осуществление роста SrSi₂ на Si(111)

При открытии потока Sr на картинах ДБЭ, снимаемых в азимуте [110], наблюдается исчезновение картины от реконструированной 7×7 поверхности кремния. Вслед за этим дифракционная картина от Si медленно сменяется рефлексами от гексагонального SrSi₂, соответствующими росту монокристаллической пленки. Анализ различных азимутов ДБЭ позволяет установить кристаллическую ориентацию SrSi₂ относительно Si: , и . Вид картины - тяжи с точками на них - говорит о наличии неровностей. Рассчитанный по расстоянию между тяжами параметр решетки SrSi₂ составляет: d₂=3,97±0,03 . Ростовой цикл длится до получения пленки необходимой толщины. Для предотвращения воздействия на SrSi₂ воздуха при выносе образца из камеры, по окончании роста пленка закрывается сплошным защитным слоем, например оксидом кремния толщиной от 2 нм.

Выход за пределы описанных режимов может привести к формированию поликристаллической пленки SrSi₂, слоя Sr или других фаз силицидов Sr, что недопустимо при изготовлении контакта.

Таким образом, изобретение позволяет осуществлять топотактический синтез пленок дисилицида стронция на Si(001) и на Si(111), которые:

- являются эпитаксиальными;

- не содержат посторонних фаз;

- имеют ориентацию, определяющуюся подложкой;

- позволяют изучать физические свойства двумерных кремниевых решеток с гексагональной ячеистой структурой.

1. Способ выращивания эпитаксиальной пленки дисилицида стронция SrSi₂ на кремниевой подложке методом молекулярно-лучевой эпитаксии, заключающийся в осаждении атомарного потока стронция с давлением P_Sr=(0,5÷3)×10^-8 Торр на предварительно очищенную поверхность подложки кремния, нагретую до T_s=500±20°C до формирования пленки дисилицида стронция требуемой толщины.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что кремний имеет ориентацию подложки Si(100).

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что кремний имеет ориентацию подложки Si(111).