ФОРМИРОВАНИЕ НАНОКЛАСТЕРОВ В СТРУКТУРАХ ПРИ ОКИСЛЕНИИ СЛОЕВ Si/SiO

Кремний – 2010, 6 – 9 июля, Н. Новгород
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. Минск
2НИЯУ «Московский инженерно-физический институт», г. Москва
E-mail: nowikow@biz.by
Предпосылки проведения исследований:
Уменьшение
DSiO2
БГУ
- снижение рабочего напряжения
- длительное хранение информации
- уменьшение времени записи/считывания
Кремний – 2010, 6 – 9 июля, Н. Новгород
Предпосылки проведения исследований:
Si толщиной 40-70 нм
Слой Ge – 0.5-1 нм
Туннельный SiO2
(001) - Si подложка
Метод МЛЭ всё ещё слишком дорог и не пригоден для серийного производства
1.
2.
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. 12121214, 2003
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
БГУ
Кремний – 2010, 6 – 9 июля, Н. Новгород
Сегрегационное оттеснение малорастворимых
примесей фронтом термического окисления Si
Ge
SiO2
SiO2
SiO2
Si (100)
T
SiO2
Si (100)
T
SiO2
Si (100)
Основная причина:
Низкая растворимость Ge в диоксиде кремния (менее 0,1 ат.%)
БГУ
Кремний – 2010, 6 – 9 июля, Н. Новгород
Вид исходной структуры и трансформация
слоев после термообработок в настоящем
подходе
poly Si1-xGex, Si1-xMex
(x=0.04–0.05), 22 нм
Si (100)
SiO
SiGe
2
T 0C
Tunnel SiO2
Si (100)
- Ge or Me cluster
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 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 N2 при
температурах 900 - 950 °C и длительностях до 180 мин.
БГУ
Кремний – 2010, 6 – 9 июля, Н. Новгород
Процесс сегрегации Ge после термического окисления
исследован методом РОР
Energy (MeV)
1.0
10
1.2
1.4
Energy (MeV)
1.6
O
8
Si
6
Ge
4
1.60
1.65
1.70
1.75
Dry oxidation
2.5
Normalized Yield
Normalized Yield
1.55
3.0
2.0
1.5
1.0
2
0.5
0
200
250
300
350
400
0.0
380
450
390
400
410
420
430
440
450
Channel
1200
3000
as grown
0
Wet Oxidation 850 С, 30 min
Wet oxidation
Si
2000
900
Ge
1000
Normolized Yield
Normalized yield, rel. un.
Channel
Ge loss ~ 30%
600
300
0
200
250
300
300
Channel
БГУ
320
Channel
Кремний – 2010, 6 – 9 июля, Н. Новгород
исходный образец SiAu
0
окисленный при 725 C, 60 min
0
окисленный при 650 C, 60 min
0
окисленный при 690 C, 120 min
1200
1000
800
Условия РОР:
1.5 МэВ, ионы Не+
Exit angel – 135 ° (det. “B”)
600
400
200
0
200
300
400
1000
Номер канала
исходный (точка 2)
0
окисленный при 725 C, 60 min
0
окисленный при 650 C, 60 min
0
окисленный при 690 C, 120 min
500
800
Выход ионов, отн.ед.
Выход ионов, отн.ед.
Процесс сегрегации Pt и Au после
термического окисления
600
400
200
0
450
460
470
480
490
500
510
Номер канала
БГУ
Кремний – 2010, 6 – 9 июля, Н. Новгород
Формирование кластеров Ge при термическом
окислении слоев SiGe: результаты ПЭМ
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
PV-TEM
75 нм
БГУ
XTEM
50 нм
Si - подложка
Кремний – 2010, 6 – 9 июля, Н. Новгород
Формирование кластеров
PtSi и Au при
термическом окислении
с - Si
НК - PtSi
Si0.97Pt0.03
T = 640 °C, t = 60 мин
SiO2
Si0.95Au0.05
A - T = 725 °C, t = 60 мин
Б - T = 725 °C, t = 120 мин
БГУ
Кремний – 2010, 6 – 9 июля, Н. Новгород
Высокочастотные (1 МГц) вольт-фарадные характеристики
для МОП конденсаторов, содержащих слой Ge кластеров.
1
3
2
C1
1,0
C2
1,0
SiO2
C/Cox
0,8
0,8
0,4 В
0,87 В
0,6
0,6
0,4
0,4
SiO2
0,2
0,2
Si (100)
0,0
0,0
-1
0
1
2
1
2
3
Напряжение на затворе (V)
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
4
Высокочастотные (1 МГц) вольт-фарадные характеристики
для МОП конденсаторов, сформированных при окислении
слоев SiPt и SiAu
А
30
Б
20
25
20
1
2
15
Емкость, пФ
Емкость, пФ
18
16
1.1 В
14
1
2
12
10
1.8 В
8
10
6
5
-6
-4
-2
0
2
4
4
-6
Напряжение смещения, В
(А) – образец Si:Au после ТО
1 – окисление 9 часов при 640 °С,
2 – окисление 5 часов при 640 °С;
БГУ
-4
-2
0
Напряжение смещения, В
2
4
(Б) –образец Si:Pt после ТО:
1 – окисление 9 часов при 640 °С,
2 – окисление 5 часов при 640 °С
Кремний – 2010, 6 – 9 июля, Н. Новгород
Плотность тока утечки, A/см
2
Вольт-амперные характеристики для МОП конденсаторов,
сформированных при окислении слое SiGe, SiPt и SiAu в
сравнении с МОП структурой на основе чистого SiO2
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
1E-4
1E-5
1E-6
1E-7
1E-8
1E-9
1E-10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Напряжение на затворе, В
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.
БГУ
Кремний – 2010, 6 – 9 июля, Н. Новгород