Способ выращивания эпитаксиальной пленки дисилицида европия на кремнии

Изобретение относится к способу получения эпитаксиальной пленки дисилицида европия на кремниевой подложке и может быть использовано для создания контактов истока/стока в технологии производства полевых МОП транзисторов с барьером Шоттки (SB-MOSFET), а также для создания устройств спинтроники в качестве контакта-инжектора/детектора спин-поляризованных носителей. Способ заключается в осаждении атомарного потока европия с давлением P_Eu=(0,5÷5)×10^-8 Торр на предварительно очищенную поверхность подложки Si(001), нагретую до T_s=400±20°C, до формирования пленки дисилицида европия требуемой толщины. При достижении толщины пленки 100 Å и более, дальнейшее осаждение производится при T_s=560±20°C до формирования пленки дисилицида европия требуемой толщины. Техническим результатом изобретения является формирование эпитаксиальных пленок EuSi₂ методом молекулярно-пучковой эпитаксии, что позволяет достичь необходимого в микроэлектронике качества контактов. 4 ил., 3 пр.

 

Область техники

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 EuSi₂/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, EuSi₂ 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.

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 EuSi₂.

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.

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_s=640÷680°C и давлении потока атомов европия P_Eu=(1÷7)⋅10^-8 Торр, после чего осаждение проводят при температуре подложки T_s=340÷380°C, давлении потока кислорода P_Ox=(0,2÷3)⋅10^-8 Торр и давлении потока атомов европия P_Eu=(1÷4)⋅10^-8 Торр, затем осаждение проводят при температуре подложки T_s=430÷490°C, потоке кислорода с давлением P_Ox=(0.2÷3)⋅10^-8 Торр, и потоке атомов европия с давлением P_Eu=(1÷7)⋅10^-8 Торр. В процедуре также предусмотрен ряд отжигов в вакууме:

- промежуточный отжиг после осуществления первой стадии (T_s=340÷380°C) роста, осуществляемый при температуре T_s=490÷520°C;

- конечный отжиг в диапазоне температур T_s=500÷560°C

Однако заявленные условия формирования не позволяют получить высококачественных пленок EuSi2 в контакте с кремнием.

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_s=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 EuSi₂ в контакте с кремнием.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом настоящего изобретения является формирование эпитаксиальных пленок EuSi₂ методом молекулярно-пучковой эпитаксии, что позволяет достичь необходимого в микроэлектронике качества контактов.

Для достижения технического результата предложен способ выращивания эпитаксиальных пленок EuSi₂ на кремниевой подложке методом молекулярно-пучковой эпитаксии, заключающийся в осаждении атомарного потока европия с давлением P_Eu=(0,5÷5)×10^-8 Торр на предварительно очищенную поверхность подложки Si(001), нагретую до T_s=400±20°C до формирования пленки дисилицида европия требуемой толщины.

При этом при достижении толщины пленки 100 Å и более, дальнейшее осаждение производят при T_s=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:

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 EuSi₂ при 400°C; (c) - 50 А выращенного EuSi₂ при 400°C; (d) - окончание роста при 400°C, 530 А выращенного EuSi₂; (e) - окончание роста при 560°C, 560 А выращенного EuSi₂.

На Фиг. 2 показана рентгеновская дифрактограмма образца SiO_x/EuSi₂/Si(001). На вкладке рисунка показан участок, содержащий пик EuSi₂ (004). Осцилляции интенсивности говорят об атомно-резких границах раздела EuSi₂/Si(001) и SiO_x/EuSi₂. Рефлексы, помеченные*, относятся к дифракции от кремниевой подложки.

На Фиг. 3 показана структура контакта EuSi₂/Si(001) в системе SiO_x/EuSi₂/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 EuSi₂, совмещенный с дифракцией от подложки Si(001), показывающий их взаимную ориентацию, с, Светлопольный снимок ПЭМ поперечного среза со средним увеличением границы раздела EuSi₂/Si. d, Светлопольный снимок ПЭМ поперечного среза с высоким увеличением, демонстрирующий структуру границы раздела EuSi₂/Si(001) на атомарном уровне.

На Фиг. 4 продемонстрированы вольт-амперные характеристики барьера Шоттки, образованного в структуре EuSi₂/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.

Подложка Si(001) помещается в сверхвысоковакуумную камеру (остаточный вакуум Р<1⋅10^-10 Торр). Затем для удаления с поверхности подложки слоя естественно оксида осуществляется прогрев подложки до температуры T_s=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_s=400±20°C и происходит открытие заслонки ячейки Eu, прогретого до такой температуры (~500°C), чтобы обеспечивать давление потока атомов Eu Р_Eu=(0,5÷5)×10^-8 Торр. Ростовой цикл длится до получения пленки необходимой толщины. Нами были выращены пленки толщиной до 150 нм. Для предотвращения воздействия на EuSi₂ 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.

Ростовой цикл при температуре подложки T_s=400±20°C, описанный в Примере 1, длится до формирования пленки EuSi₂ 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.

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 EuSi₂, слоя Eu или других фаз силицидов Eu, что недопустимо при изготовлении контакта.

Исследования изготовленных образцов с помощью рентгеновской дифрактометрии (Фиг. 2) показали, что пленки EuSi₂ являются монокристаллическими и имеют ориентацию (001), как и подложка кремния. Определенный по положению пиков параметр решетки EuSi₂ составляет d=13.633±0.006 Å, что соответствует параметру решетки массивных трехмерных образцов EuSi₂. Также следует отметить, что осцилляции интенсивности вблизи пика EuSi₂(004) (вкладка Фиг. 2) говорят об атомарной гладкости границы раздела EuSi₂/Si и SiO_x/EuSi₂.

Исследование образцов с помощью просвечивающей электронной микроскопии доказывает отсутствие посторонних фаз, однородность пленок вдоль толщины (Фиг. 3a), ориентированность кристаллической структуры EuSi₂ относительно подложки (Фиг. 3b), т.е. эпитаксиальный рост пленки EuSi₂, а также резкость границ раздела EuSi₂/Si и SiO_x/EuSi₂ (Фиг. 3a, Фиг. 3c, Фиг. 3d).

Асимметричные вольт-амперные характеристики структуры EuSi₂/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.

Очистка поверхности кремниевых подложек от атмосферного оксида происходит путем их нагрева до температуры T_s=770÷800°C и экспонирования в потоке атомов Eu с давлением P_Eu=(0,1÷5)×10^-8 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.

Таким образом, изобретение позволяет получать пленки EuSi₂ на Si(001), которые:

- являются эпитаксиальными;

- не содержат посторонних фаз;

- обладают резкими границами раздела EuSi₂/Si и защитный слой/EuSi₂;

- 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.

Способ выращивания эпитаксиальной пленки дисилицида европия на кремниевой подложке, включающий осаждение атомарного потока европия молекулярно-пучковой эпитаксией, отличающийся тем, что поверхность кремниевой подложки Si(001) предварительно очищают, нагревают до Ts=400±20°С и осуществляют осаждение атомарного потока европия с давлением P_Eu=(0,5÷5)×10^-8 Торр до достижения толщины пленки 100 Å и более, а затем температуру подложки повышают до Ts=560±20°С и производят осаждение до формирования пленки дисилицида европия заданной толщины.