ФОРМИРОВАНИЕ НАНОКЛАСТЕРОВ В СТРУКТУРАХ Si/SiO 2 ПРИ ОКИСЛЕНИИ СЛОЕВ SiGe, SiAu и SiPt: СТРУКТУРНЫЕ И ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА А.Г. Новиков 1, П.И. Гайдук 1, К.Ю. Максимова 2, А.В. Зенкевич 2 1 Белорусский государственный университет, г. Минск 2 НИЯУ «Московский инженерно-физический институт», г. Москва 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 D SiO2

БГУ Кремний – 2010, 6 – 9 июля, Н. Новгород Si толщиной нм Слой Ge – нм Туннельный SiO 2 (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 , 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 , 2005 Предпосылки проведения исследований :

БГУ Кремний – 2010, 6 – 9 июля, Н. Новгород Сегрегационное оттеснение малорастворимых примесей фронтом термического окисления Si TT Si (100) SiO 2 Основная причина: Низкая растворимость Ge в диоксиде кремния (менее 0,1 ат.%) Ge

БГУ Кремний – 2010, 6 – 9 июля, Н. Новгород poly - Si 1-x Ge x, Si 1-x Me x (x=0.04–0.05), 22 нм Si (100) T 0C - Ge or Me cluster Вид исходной структуры и трансформация слоев после термообработок в настоящем подходе Si (100) Tunnel SiO 2 SiGe SiO 2

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 SiO 2 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 SiH 4 – GeH 4 /H 2 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 ИЛО К.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 N 2 при температурах °C и длительностях до 180 мин.

БГУ Кремний – 2010, 6 – 9 июля, Н. Новгород Ge Si O 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 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 ~ 2x10 11 см Существенная неоднородность по размерам; Нанокристаллы Ge имеют темный контраст на сером фоне SiO 2 Si - подложка 75 нм 50 нм Формирование кластеров Ge при термическом окислении слоев SiGe: результаты ПЭМ PV-TEM XTEM

БГУ Кремний – 2010, 6 – 9 июля, Н. Новгород Формирование кластеров PtSi и Au при термическом окислении Si 0.97 Pt 0.03 T = 640 °C, t = 60 мин Si 0.95 Au 0.05 A - T = 725 °C, t = 60 мин Б - T = 725 °C, t = 120 мин

БГУ Кремний – 2010, 6 – 9 июля, Н. Новгород Si (100) SiO 2 C1C2 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/SiO 2 с чистым SiO 2.

БГУ Кремний – 2010, 6 – 9 июля, Н. Новгород 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 Вольт-амперные характеристики для МОП конденсаторов, сформированных при окислении слое SiGe, SiPt и SiAu в сравнении с МОП структурой на основе чистого SiO 2

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/SiO 2 с НК металлов являются перспективными для разработки на их основе устройств энергонезависимой памяти.