СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ ЭПИТАКСИАЛЬНОЙ ПЛЕНКИ ДИСИЛИЦИДА ЕВРОПИЯ НА КРЕМНИИ
METHOD FOR EUROPIUM DISILICIDE EPITAXIAL FILM GROWING ON SILICON

Область техники
2
2
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 EuSi/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, EuSi 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.
2
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 EuSi.
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.
s
Eu
s
Ox
Eu
s
Ox
Eu
-8
-8
-8
-8
-8
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=640÷680°C и давлении потока атомов европия P=(1÷7)⋅10 Торр, после чего осаждение проводят при температуре подложки T=340÷380°C, давлении потока кислорода P=(0,2÷3)⋅10 Торр и давлении потока атомов европия P=(1÷4)⋅10 Торр, затем осаждение проводят при температуре подложки T=430÷490°C, потоке кислорода с давлением P=(0.2÷3)⋅10 Торр, и потоке атомов европия с давлением P=(1÷7)⋅10 Торр. В процедуре также предусмотрен ряд отжигов в вакууме:
s
s
- промежуточный отжиг после осуществления первой стадии (T=340÷380°C) роста, осуществляемый при температуре T=490÷520°C;
s
- конечный отжиг в диапазоне температур T=500÷560°C
Однако заявленные условия формирования не позволяют получить высококачественных пленок EuSi2 в контакте с кремнием.
s
2
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 T=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 EuSi в контакте с кремнием.
Раскрытие изобретения
2
Техническим результатом настоящего изобретения является формирование эпитаксиальных пленок EuSi методом молекулярно-пучковой эпитаксии, что позволяет достичь необходимого в микроэлектронике качества контактов.
2
Eu
s
-8
Для достижения технического результата предложен способ выращивания эпитаксиальных пленок EuSi на кремниевой подложке методом молекулярно-пучковой эпитаксии, заключающийся в осаждении атомарного потока европия с давлением P=(0,5÷5)×10 Торр на предварительно очищенную поверхность подложки Si(001), нагретую до T=400±20°C до формирования пленки дисилицида европия требуемой толщины.
s
При этом при достижении толщины пленки 100 Å и более, дальнейшее осаждение производят при T=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:
2
2
2
2
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 EuSi при 400°C; (c) - 50 А выращенного EuSi при 400°C; (d) - окончание роста при 400°C, 530 А выращенного EuSi; (e) - окончание роста при 560°C, 560 А выращенного EuSi.
x
2
2
2
x
2
На Фиг. 2 показана рентгеновская дифрактограмма образца SiO/EuSi/Si(001). На вкладке рисунка показан участок, содержащий пик EuSi(004). Осцилляции интенсивности говорят об атомно-резких границах раздела EuSi/Si(001) и SiO/EuSi. Рефлексы, помеченные*, относятся к дифракции от кремниевой подложки.
2
x
2
2
2
2
На Фиг. 3 показана структура контакта EuSi/Si(001) в системе SiO/EuSi/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 EuSi, совмещенный с дифракцией от подложки Si(001), показывающий их взаимную ориентацию, с, Светлопольный снимок ПЭМ поперечного среза со средним увеличением границы раздела EuSi/Si. d, Светлопольный снимок ПЭМ поперечного среза с высоким увеличением, демонстрирующий структуру границы раздела EuSi/Si(001) на атомарном уровне.
2
На Фиг. 4 продемонстрированы вольт-амперные характеристики барьера Шоттки, образованного в структуре EuSi/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.
-10
-8
s
s
Eu
2
Подложка Si(001) помещается в сверхвысоковакуумную камеру (остаточный вакуум Р<1⋅10 Торр). Затем для удаления с поверхности подложки слоя естественно оксида осуществляется прогрев подложки до температуры T=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 T=400±20°C и происходит открытие заслонки ячейки Eu, прогретого до такой температуры (~500°C), чтобы обеспечивать давление потока атомов Eu Р=(0,5÷5)×10 Торр. Ростовой цикл длится до получения пленки необходимой толщины. Нами были выращены пленки толщиной до 150 нм. Для предотвращения воздействия на EuSi 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.
s
2
Ростовой цикл при температуре подложки T=400±20°C, описанный в Примере 1, длится до формирования пленки EuSi 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.
2
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 EuSi, слоя Eu или других фаз силицидов Eu, что недопустимо при изготовлении контакта.
2
2
2
2
2
x
2
Исследования изготовленных образцов с помощью рентгеновской дифрактометрии (Фиг. 2) показали, что пленки EuSi являются монокристаллическими и имеют ориентацию (001), как и подложка кремния. Определенный по положению пиков параметр решетки EuSi составляет d=13.633±0.006 Å, что соответствует параметру решетки массивных трехмерных образцов EuSi. Также следует отметить, что осцилляции интенсивности вблизи пика EuSi(004) (вкладка Фиг. 2) говорят об атомарной гладкости границы раздела EuSi/Si и SiO/EuSi.
2
2
2
x
2
Исследование образцов с помощью просвечивающей электронной микроскопии доказывает отсутствие посторонних фаз, однородность пленок вдоль толщины (Фиг. 3a), ориентированность кристаллической структуры EuSiотносительно подложки (Фиг. 3b), т.е. эпитаксиальный рост пленки EuSi, а также резкость границ раздела EuSi/Si и SiO/EuSi (Фиг. 3a, Фиг. 3c, Фиг. 3d).
2
Асимметричные вольт-амперные характеристики структуры EuSi/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.
s
Eu
-8
Очистка поверхности кремниевых подложек от атмосферного оксида происходит путем их нагрева до температуры T=770÷800°C и экспонирования в потоке атомов Eu с давлением P=(0,1÷5)×10 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.
2
Таким образом, изобретение позволяет получать пленки EuSi на Si(001), которые:
- являются эпитаксиальными;
- не содержат посторонних фаз;
2
2
- обладают резкими границами раздела EuSi/Si и защитный слой/EuSi;
- 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.