СПОСОБ СОЗДАНИЯ ТОНКИХ СЛОЕВ ОКСИДОВ Ni И Nb С ДЫРОЧНОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СВЕРХБОЛЬШИХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ
METHOD OF MAKING THIN LAYERS OF OXIDES OF Ni, Nb WITH HOLE CONDUCTIVITY FOR MAKING COMPONENTS OF VERY LARGE SCALE INTEGRATED CIRCUITS

Изобретение относится к области электронной техники и описывает возможность получения дырочной проводимости аморфной оксидной пленки на поверхности металлического стекла системы Ni-Nb путем искусственного оксидирования.
Одним из перспективных направлений материаловедения является разработка функциональных материалов на основе металлических стекол, в том числе и тонких пленок, обладающих уникальными свойствами. Так, тонкие пленки на основе системы Pd-Zr, полученные магнетронным напылением, обладают высокой коррозионной стойкостью и хорошей биосовместимостью (Кетов C.B., Лузгин Д.В.), пленки системы Ni-Nb обладают высокими трибологическими характеристиками (Caron A., Inoue Α., Лузгин Д.В.) и магнитооптическими свойствами в виде частично прозрачных тонких пленок.
Анализ патентной информации показал, что наиболее близкими к настоящему изобретению являются следующие патенты:
1. Патент US 20140015021 A1 (опубл. 16.01.2014), описывающий полупроводниковый транзистор, состоящий из трех затворов, имеющих высокую K-диэлектрическую изоляцию и металлический затвор с рабочим напряжением от 4,6 до 5,2 эВ. Недостатком данного изобретения является малая адгезионная прочность полупроводниковых материалов.
2. Патент US 4,089,710 (опубл. 16.05.1978), описывающий метод фосфатирования металлической поверхности, путем воздействия кислоты, для изменения типа проводимости. Недостатком данного изобретения является сложность реализации этого метода в связи с необходимостью применения кислоты.
3. Патент RU 2229755 (опубл. 27.05.2004), описывающий технологию создания омического контакта путем исключения из техпроцесса изготовления тонкопленочного устройства на гидрогенизированных аморфных полупроводниках операции легирования пленки под контакт с применением токсичных и взрывоопасных газов фосфин и диборан, которые заменяются операцией отжига пленки перед нанесением слоя маскирующего диэлектрика и металлических электродов. Недостатком данной технологии является необходимость применения дополнительной технологии нанесения маскирующего диэлектрика.
4. Патент RU 2435251 (опубл. 02.11.2006), описывающий электрод со слоем тонкой металлической пленки и буферным слоем с высокой работой выхода для применения в фотоэлектрическом приборе. Недостатком данного изобретения является невозможность контролируемого изменения типа проводимости в тонком слое металлической пленки.
5. Патент RU 2392688 (опубл. 20.06.2010), описывающий способ создания омических контактов в тонкопленочных устройствах на аморфных нелегированных полупроводниках, заключающийся в осаждении пленки полупроводника на подложку, формировании маскирующего диэлектрического слоя, фотолитографии для вскрытия окон в диэлектрическом слое и напылении металлических электродов с последующей фотолитографией по металлу. Недостатком данного изобретения является необходимость применения дорогостоящей технологии фотолитографии по металлу.
Прототипом данного изобретения является технология, описанная в патенте RU 2392688. Основным отличием настоящего изобретения от прототипа является то, что при выборе разных режимов окисления на поверхности аморфной пленки NiNb образуются оксидные слои с различными типами проводимости: при окислении в естественных условиях образуется оксидная пленка с электронным типом проводимости, а при искусственном окислении в атмосфере кислорода и температурах от 250 до 350°С образуется оксидная пленка с дырочным типом проводимости.
Технический результат изобретения - возможность получения в тонкой пленке дырочной проводимости - достигается следующим образом:
x
100-x
1) Получение тонкой аморфной пленки с составом, описываемым формулой NbNi (где х=40-60 атомных %), путем магнетронного распыления на медную водоохлаждаемую подложку со скоростью 50 нм/мин при мощности магнетрона 70 Вт;
2) Отжиг пленки в окислительной атмосфере при температуре 200-300°С в течение 30-60 минут.
Чертежи и иллюстрации
57
43
Фиг. 1 - Рентгенограмма пленки NiNb. Острые дифракционные пики соответствуют медной подложке.
Фиг. 2 - Семейство локальных вольт-амперных характеристик с разными нагрузками для искусственной оксидной пленки Ni-Nb. Кривые стабильно воспроизводятся при измерениях в разных местах пленки.
Фиг. 3 - Спектры рентгеновской фотоэмиссионной спектроскопии для чистого Nb; линия: Nb 3d. Пунктирная линия: экспериментальные данные; Сплошная линия: расчет.
Фиг. 4 - Спектры рентгеновской фотоэмиссионной спектроскопии для искусственного оксида Ni-Nb; линия: Nb3d. Пунктирная линия: экспериментальные данные; Сплошная линия: расчет.
x
100-x
2
5
Изобретение осуществляется следующим образом: тонкую пленку составом, описываемым формулой NbNi (где х=40-60 ат. %), получают путем магнетронного распыления на медную водоохлаждаемую подложку со скоростью 50 нм/мин при мощности магнетрона 70 Вт. При нагреве до температуры 200-300°С в окислительной атмосфере Nb окисляется полностью до NbO, и весь Ni уходит под оксидированную поверхность. На границе между оксидом и Ni образуется слой с дефицитом электронов, d-зона металла Ni заполнена меньше, чем наполовину. Это приводит к дырочному типу проводимости. Выбор температурного интервала и времени обработки обусловлен типом появляющихся оксидов: ниже температуры 200°С остается естественный оксид ниобия, выше 300°С появляется оксид никеля. Эффект может использоваться при изготовлении элементов сверхбольших интегральных схем в качестве элементов сложных диодов.
Пример.
57
43
Сплав состава NiNb был получен следующим образом.
Для приготовления сплава использовался никель и ниобий чистотой 99,9%. Плавку вели в электрической дуговой печи в атмосфере аргона. Из полученного слитка была вырезана мишень толщиной 2 мм и диаметром 50 мм и подвергнута магнетронному распылению на медную подложку со скоростью 50 нм/мин в пленку толщиной 100 нм при комнатной температуре.
Исходная структура пленки была полностью аморфной (фиг. 1). После чего методом атомно силовой спектроскопии были измерены локальные вольтамперные характеристики при разном усилии прижима кантилевера (фиг. 2). Использовались стандартные проводящие кантилеверы, покрытые слоем платины с радиусом закругления зондирующего кончика 20 нм. Образцы подверглись отжигу в окислительной атмосфере сухого воздуха при температуре 300°С в течение 30 минут, что привело к существенному изменению локальной вольтамперной характеристики (фиг. 2) и в оксидной пленке наблюдалась дырочная проводимость.
Для объяснения различий в типе проводимости рассмотрим, как меняется степень окисления металлов в оксидном слое. Степень окисления определялась с помощью рентгеновской фотоэмиссионной спектроскопии (Фиг. 3-4).
2
5
2
5
2
5
При окислении в сухом воздухе при 300°С образуется высший оксид NbO. На границе между оксидом NbO и металлическим слоем Ni-Nb с дефицитом электронов, в результате чего наблюдается отрицательный сдвиг 3d линии Nb, который может быть интерпретирован в качестве поверхностного сдвига энергии связи. d-зона Ni не полностью заполнена, в результате чего появляется проводимость p-типа. Расчетная толщина оксидного слоя NbO 10,5 нм.
x
x
Схематически система может рассматриваться как состоящая из двух барьеров Шоттки (Pt/NIO и NiO/NiNb металлическая матрица), разделенные туннельным барьером NiNb-оксид. Отсутствие проводимости при напряжениях менее 4 V с обеих полярностей связано с неспособностью тока преодолеть туннельный барьер. С увеличением приложенного напряжения барьер подавляется, что позволяет носителям заряда - дыркам - течь через исследуемую систему.