А.Г. Новиков 1 , П.И. Гайдук 1 , К.Ю. Максимова 2 , А.В. Зенкевич 2

1. Кремний – 2010, 6 – 9 июля, Н. Новгород ФОРМИРОВАНИЕ НАНОКЛАСТЕРОВ В СТРУКТУРАХ Si/SiO2 ПРИ ОКИСЛЕНИИ СЛОЕВSiGe, 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

2. Предпосылки проведения исследований: - снижение рабочего напряжения - длительное хранение информации - уменьшение времени записи/считывания Уменьшение DSiO2 БГУКремний – 2010, 6 – 9 июля, Н. Новгород

3. 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 • 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. 1212-1214, 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 БГУКремний – 2010, 6 – 9 июля, Н. Новгород

4. Сегрегационное оттеснение малорастворимых примесей фронтом термического окисления Si Ge SiO2 SiO2 T T SiO2 SiO2 SiO2 Si (100) Si (100) Si (100) Основная причина: Низкая растворимость Ge в диоксиде кремния (менее 0,1 ат.%) БГУКремний – 2010, 6 – 9 июля, Н. Новгород

5. Вид исходной структуры и трансформация слоев после термообработок в настоящем подходе poly - Si1-xGex, Si1-xMex (x=0.04–0.05), 22 нм T 0C SiO2 SiGe Si (100) Si (100) Tunnel SiO2 • Geor Me cluster БГУКремний – 2010, 6 – 9 июля, Н. Новгород

6. Основные шаги процесса формирования МОП структур на основе Ge и металлов: • Термический рост однородного, туннельного слоя SiO2толщиной 6 нм • на химически очищенной 100 мм Si подложке (КЭФ-4,5) ориентации (001); 3. Формирование аморфных слоёв Si:Me с заданным соотношением атомных концентраций Si/Me производилось путем последовательногоосаждения субмонослойных 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) 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) 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 N2при температурах 900 - 950 °C и длительностях до 180 мин. БГУКремний – 2010, 6 – 9 июля, Н. Новгород

7. Процесс сегрегации Ge после термического окисления исследован методом РОР O Dry oxidation Si Ge Wet oxidation Si Ge БГУКремний – 2010, 6 – 9 июля, Н. Новгород

8. Процесс сегрегации Pt и Au после термического окисления Условия РОР: 1.5 МэВ, ионы Не+ Exit angel – 135 ° (det. “B”) БГУКремний – 2010, 6 – 9 июля, Н. Новгород

9. Формирование кластеров Ge при термическом окислении слоев SiGe: результаты ПЭМ • Большинство точек имеют размер от 4 до 20 нм; • Плотность кластеров ~2x1011см-2. • Существенная неоднородность по размерам; Нанокристаллы Ge имеют темный контраст на сером фоне SiO2 PV-TEM XTEM 75 нм 50 нм Si - подложка БГУКремний – 2010, 6 – 9 июля, Н. Новгород

10. Формирование кластеров PtSi и Au при термическом окислении Si0.97Pt0.03 T = 640 °C, t = 60 мин Si0.95Au0.05 A - T = 725 °C, t = 60мин Б - T = 725 °C, t = 120мин БГУКремний – 2010, 6 – 9 июля, Н. Новгород

11. Высокочастотные (1 МГц) вольт-фарадные характеристики для МОП конденсаторов, содержащих слой Ge кластеров. C1 C2 SiO2 SiO2 Si (100) 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. БГУКремний – 2010, 6 – 9 июля, Н. Новгород

12. Высокочастотные (1 МГц) вольт-фарадные характеристики для МОП конденсаторов, сформированных при окислении слоев SiPt и SiAu 1.1 В 1.8 В (А) – образец Si:Au после ТО 1 – окисление 9 часов при 640 °С, 2 – окисление 5 часов при 640 °С; (Б) –образец Si:Pt после ТО: 1 – окисление 9 часов при 640 °С, 2 – окисление 5 часов при 640 °С БГУКремний – 2010, 6 – 9 июля, Н. Новгород

13. Вольт-амперные характеристики для МОП конденсаторов, сформированных при окислении слое SiGe, SiPt и SiAu в сравнении с МОП структурой на основе чистого SiO2 БГУКремний – 2010, 6 – 9 июля, Н. Новгород

14. 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. БГУКремний – 2010, 6 – 9 июля, Н. Новгород