Способ создания проводящих нанопроволок на поверхности полупроводниковых подложек

Изобретение относится к методам создания металлических нанопроволок на поверхности полупроводниковых подложек и может быть использовано при создании твердотельных электронных приборов. Изобретение обеспечивает создание нанопроволок, обладающих высокой проводимостью, с возможностью управления местоположением формирования этих нанопроволок. Сущность изобретения: в способе создания проводящих нанопроволок на поверхности полупроводниковых подложек, осаждают медь на поверхность кремния Si(111) с формированием буферного слоя силицида меди Cu₂Si при температуре 500°С в условиях сверхвысокого вакуума. Буферный слой силицида меди формируют моноатомной толщины, после чего при температуре 20°С осаждают не менее 10 слоев меди на атомных ступенях поверхности буферного слоя, которые формируют нанопроволоки эпитаксиальной меди, ориентированные вдоль атомных ступеней подложки. 3 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к способам создания металлических нанопроволок на поверхности полупроводниковых подложек и может быть использовано при создании твердотельных электронных приборов.

Известен способ создания на поверхности кремния Si(100) нанопроволок на основе силицидов редкоземельных металлов (ScSi₂, ErSi₂, DySi₂, GdSi₂), заключающийся в осаждении в условиях сверхвысокого вакуума пленок редкоземельных металлов (Er, Gd, Sc, Dy) субмоноатомной толщины (менее 0,5 моноатомного слоя) на предварительно очищенную указанную поверхность в диапазоне температур от комнатной температуры до 620°С и последующем отжиге осажденной пленки в диапазоне температур от 575°С до 800°С в течение 5 минут для стимуляции химической реакции между осажденным металлом и подложкой кремния, приводящей за счет анизотропии несоответствия кристаллических решеток силицида и подложки кремния (для ScSi₂, ErSi₂, DySi₂, GdSi₂ несоответствие составляет -4,6%, 6,3%, 7,6%, 8,9%, соответственно, в одном из основных кристаллографических направлений Si < 110 > и 0,8%, -1,6%, -0,1%, 0,8% соответственно в перпендикулярном ему направлении) к анизотропному росту островков силицидной фазы, имеющих форму нанопроволок, имеющих ширину в диапазоне от 3 до 11 нм, высоту в диапазоне от 0,2 до 3 нм и длину в диапазоне от 150 до 450 нм [Y.Chen et al., US Patent "Formation of nanoscale wires" № 6,773,616 B1, Date of Patent: Aug. 10, 2004; Y.Chen, D.A.A.Ohiberg, R.S.Williams, "Nanowires of four epitaxial hexagonal silicides grown on Si(100)″ // Journal of Applied Physics 2002, v.91, P. 3213-3218].

Недостатком данного способа является то, что формирование нанопроволок происходит спонтанно в произвольных местах подложки, а их рост может происходить равновероятно в двух перпендикулярных направлениях, и таким образом, указанный метод не обеспечивает возможность управления местоположением формирования нанопроволок на поверхности подложки и направлением их роста.

Известен также способ создания массивов металлических нанопроволок, заключающийся в осаждении в условиях сверхвысокого вакуума пленок благородных металлов (Ag, Au), а также свинца (Pb), субмоноатомной толщины на предварительно очищенные вицинальные поверхности Si(111) и высокоиндексные поверхности Si(557), характеризующиеся малой шириной атомных террасами (например, 1,9 нм в случае поверхности Si(557)) и высокой плотностью атомных ступеней (например, 0,5×10⁹ м^-1 в случае поверхности Si(557)), при температуре в диапазоне температур от 500°С до 700°С, в результате которого происходит конденсация осажденного металла на атомных ступенях с образованием массива нанопроволок атомной толщины [I.Matsuda, M.Ueno, T.Hiraha, R.Hobara, H.Morikawa, С.Liu, S.Hasegawa, "Electrical resistance of a monoatomic step on crystalline surface" // Physical Review Letters, 2004, V. 93, P. 236801; H.Okino, R.Hobara, I.Matsuda, T.Kanagawa, S.Hasegawa, J.Okabayashi, S.Toyoda, М.Oshima, K.Ono, "Nonmetallic transport of a quasi-one-dimensional Si(557)-Au surface" // Physical Review В 2004, v. 70, p. 113404; С.Tegenkamp, H.Pfnur, "Switching between one- and two-dimensional conductance: Coupled chains in the monolayer of Pb on Si(557)″ // Surface Science 2007, v. 601, p. 2641].

Недостатком данного способа является то, что сформированные с помощью данного метода нанопроволоки обладают низкой проводимостью в силу ограниченного поперечного сечения нанопроволок атомной толщины.

Задачей, на решение которой направлен заявляемый способ создания проводящих нанопроволок на поверхности полупроводниковых подложек, является разработка создания нанопроволок, обладающих высокой проводимостью, с возможностью управления местоположением формирования этих нанопроволок.

Поставленная задача решается тем, что на первом этапе создания проводящих нанопроволок осаждают медь на поверхность кремния Si(111) с формированием буферного слоя силицида меди CuaSi при температуре 500°С в условиях сверхвысокого вакуума, буферный слой силицида меди формируют моноатомной толщины, после чего при температуре 20°С осаждают не менее 10 слоев меди на атомных ступенях поверхности буферного слоя, которые формируют нанопроволоки эпитаксиальной меди, ориентированные вдоль атомных ступеней подложки.

Отличительными признаками заявленного способа создания проводящих нанопроволок на поверхности полупроводниковых подложек являются:

- буферный слой силицида меди формируют моноатомной толщины;

- при температуре 20°С осаждают не менее 10 слоев меди на атомных ступенях поверхности буферного слоя, которые формируют нанопроволоки эпитаксиальной меди, ориентированные вдоль атомных ступеней подложки.

Сопоставительный анализ существенных признаков заявленного способа с существенными признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию «новизна». Заявленный способ обладает техническим уровнем и может быть пригоден для применения.

При этом отличительные признаки изобретения обеспечивают возможность контролируемого создания нанопроволок с высокой проводимостью на поверхности полупроводниковой подложки.

На фиг.1 представлена схема последовательных операций в заявленном способе формирования нанопроволок Cu на поверхности подложки кремния Si(111). На фиг.2 представлено изображение поверхности с массивом нанопроволок, полученное в сканирующем туннельном микроскопе. На фиг.3 представлены результаты измерений.

Заявленный способ создания проводящих нанопроволок на поверхности полупроводниковых подложек реализуется следующим образом.

На предварительно очищенной поверхности кремния Si(111) создается буферный слой, представляющий собой силицид Cu₂Si моноатомной толщины, обладающий таким свойством, что атомы Cu, осажденные на указанный слой при комнатной температуре, не вступают в химическую реакцию с атомами кремния подложки, а, свободно мигрируя по поверхности атомных террас, конденсируются на атомных ступенях, образуя вдоль них нанопроволоки на основе эпитаксиальной меди.

На первом этапе (фиг.1а) путем прогрева при температуре 1200°С в течение 20 с в условиях сверхвысокого вакуума <1×10^-7 Па получают атомарно-чистую поверхность Si(111) с концентрацией структурных дефектов <3%.

На втором этапе (фиг.1б) на очищенную поверхность без нарушения сверхвысоковакуумных условий осаждают пленку меди толщиной 2 моноатомных слоя (МС). Медь осаждают из эффузионной ячейки со скоростью 0,5 МС/мин, температура подложки в ходе осаждения 500°С. В результате реакции осажденной меди с атомами кремния на поверхности подложки формируется сплошной слой силицида меди Cu₂Si моноатомной толщины.

На третьем этапе (фиг.1в) на поверхность буферного слоя Cu₂Si при комнатной температуре осаждают пленку меди с толщиной в диапазоне от 10 до 25 МС, при этом осажденная медь конденсируется на атомных ступенях с образованием нанопроволок на основе эпитаксиальной меди. Ширина нанопроволок находится в диапазоне от 20 до 40 нм, высота в диапазоне от 1 до 2 нм. Для характеристики проводимости сформированного массива нанопроволок с помощью зондовой головки с четырьмя зондами, расположенными в вершинах квадрата со стороной 0,6 мм, были проведены электрофизические измерения проводимости системы, как функции угла поворота зондовой головки. Кружками представлены данные для угловой зависимости проводимости образца перед наращиванием нанопроволок, то есть подложки Si(111), покрытой слоем силицида Cu₂Si моноатомной толщины. Треугольниками вершиной вверх представлены данные угловой зависимости проводимости образца со сформированным массивом нанопроволок при осаждении 22 МС меди. Указанной зависимости соответствует анизотропия проводимости (отношение проводимости вдоль и поперек направления нанопроволок), равная 4,8. Эта величина фактически характеризует во сколько раз проводимость нанопроволок выше проводимости подложки. Треугольниками вершинами вниз представлены данные угловой зависимости проводимости образца со сплошной пленкой меди, сформированной при осаждении 28 МС Cu. Проводимость пленки совпадает с проводимостью нанопроволок, однако анизотропия проводимости в ней отсутствует. В таблице представлены величина анизотропии проводимости массива нанопроволок, полученного с помощью заявляемого метода в сравнении с таковыми для массивов, полученных с помощью известных методов. Как видно, в них анизотропия проводимости, а следовательно, и собственно проводимость нанопроволок в 1,8-3,0 раза ниже.

Сравнение анизотропии электрической проводимости для различных структур, образованных на ступенях поверхности
система	анизотропия	ссылка
Si(111)-Cu	4,8
Si(111)-Ag	1,6	[1]
Si(557)-Au	2,7	[2]
Si(557)-Pb	1,5	[3]

[1] I.Matsuda et al. Physical Review Letters 2004, v. 93, p. 236801.

[2] H.Okino et al. Physical Review В 2004, v. 70, p. 113404.

[3] С.Tegenkamp and H.Pfnur, Surface Science 2007, v. 601, p. 2641.

Таким образом, за счет использования двухэтапной процедуры осаждения меди на поверхность кремния Si(111) с формированием на первом этапе буферного слоя силицида меди Cu₂Si моноатомной толщины при температуре 500°С в условиях сверхвакуума и осаждением на втором этапе 10-20 моноатомных слоев меди при комнатной температуре удалось обеспечить формирование нанопроволок эпитаксиальной меди, ориентированных вдоль атомных ступеней подложки, и обладающих проводимостью, выше, чем у известных пототипов.

Способ создания проводящих нанопроволок на поверхности полупроводниковых подложек, заключающийся в осаждении меди на поверхность кремния Si(111) с формированием буферного слоя силицида меди Cu₂Si при температуре 500°С в условиях сверхвысокого вакуума, отличающийся тем, что буферный слой силицида меди формируют моноатомной толщины, после чего при температуре 20°С осаждают не менее 10 слоев меди на атомных ступенях поверхности буферного слоя, которые формируют нанопроволоки эпитаксиальной меди, ориентированные вдоль атомных ступеней подложки.