WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 11 Диэлектрические многослойные наноструктуры оксидов тантала и алюминия © Ю.К. Ежовский, А.И. Клусевич Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), 198013 Санкт-Петербург, Россия (Поступила в Редакцию 22 января 2003 г.

В окончательной редакции 4 апреля 2003 г.) Представлены экспериментальные результаты изучения процесса формирования и некоторых диэлектрических характеристик многослойных наноструктур, полученных на основе оксидов тантала и алюминия методом молекулярного наслаивания. Показано, что диэлектрическая проницаемость таких структур практически линейно зависит от состава композиции, а их проводимость — от соотношения толщин каждого слоя, причем при di, j < 5 nm существенный вклад вносят туннельные явления.

Развитие наноэлектроники на современном этапе во которые регистрировались на спектрометрах НР-5950А многом определяется успехами, достигнутыми при изу- (излучение AlK c EK = 1486 eV) и СЭР-1 (излучение чении процессов формирования и свойств низкораз- MgK с EK = 1253 eV). Отсчет энергии осуществлялмерных систем. При этом интенсивно развивается и ся по углеродному стандарту C1s1/2 с Est = 285.0eV.

нанотехнология таких систем. Из методов химической Максимальная глубина проникновения зонда в поверхнанотехнологии наибольшее развитие получил метод ностный слой при указанных энергиях не превышамолекулярного наслаивания (МН), который позволяет ла 8 nm [3]. Для идентификации энергетических линий путем химических поверхностных реакций синтезироисследуемых элементов Es использовались данные равать наноструктуры, состав и толщину которых можно бот [4,5]. Количественный анализ состава поверхностных контролировать в пределах монослоя. При этом череслоев проводился с использованием соотношения [3] дование различных реагентов позволяет формировать многослойные наноструктуры, свойства которых могут I1 n11 EK2, (1) существенно отличаться от свойств составляющих их I2 n22 EKкомпонентов.

Многослойные наноструктуры на основе оксидов тангде I1 и I2 — интенсивности рассматриваемых линий тала и алюминия могут применяться как диэлектриданных атомов, 1 и 2 — относительные сечения ческие системы в СВЧ-технике, а также при создаионизации соответствующих уровней, n1 и n2 — коннии структур металл-диэлектрик-полупроводник. При центрации данных атомов, EK1 и EK2 — кинетические этом в такой диэлектрической „сверхрешетке“ появляэнергии электронов (EK = EK - Es - s, s — работа ется возможность изменения диэлектрической проницавыхода электронов материала спектрометра). Спектры емости и распределения потенциала по толщине слоя в проходили компьютерную обработку по специальной зависимости от ее состава и чередования слоев.

программе с аппроксимацией кривых по гауссовой форВ настоящей работе представлены результаты исме. Для идентификации состава слоев проводился также следований основных диэлектрических характеристик эллипсометрический контроль показателя преломления, (проводимости, диэлектрической проницаемости) мнокоторый определялся по методу Холмса [2].

гослойных наноструктур, состоящих из слоев оксидов Синтез исследуемых структур проводился поперетантала и алюминия, полученных методом МН, с разменной обработкой поверхности кремниевой (КЭФ-7.5, личной толщиной и чередованием каждого оксида.

ориентация (100)), алюминиевой и танталовой матТолщина слоев определялась по измерению эллиприц парами галогенидов соответствующего металла сометрических поляризационных углов и и рас(P = 1-10 Pa) и воды (P 100 Pa) в вакуумно-просчитывалась в приближении однослойной модели Друточной установке при давлении остаточных газов не де-Тронстона [1]. Параметры и измерялись на выше 10-1 Pa. В качестве металлических подложек исэллипсометре, собранном по схеме PQSA [2] с фиксиропользовались пленки алюминия или тантала толщиной ванным компенсатором. В качестве источника линейно 0.1-0.2 µm, полученные на кремнии вакуумным или поляризованного света использовался лазер ЛГ-75 с длимагнетронным распылением.

ной волны излучения 632.8 nm. Для повышения точности измерений осуществлялась магнитная модуляция свето- Синтез оксидных слоев методом МН базируется на вого луча. Погрешность в определении этих параметров саморегулирующихся процессах хемосорбции галогенине превышала ±0.01. да металла и паров воды с предельным заполнением Состав ультратонких слоев контролировался по дан- поверхности, близким к монослойному. Например, на ным рентгенофотоэлектронной спектроскопии (РФЭС), гидроксилированном кремнии этот процесс проводят по 12 2100 Ю.К. Ежовский, А.И. Клусевич реакциям ( Si-OH)m + MCln ( Si-O-)m MCln-m + m HCl, (I) ( Si-O-)m MCln-m +(n - m)H2O ( Si-O-)m M(OH)n-m +(n - m)HCl. (II) Многократное повторение реакций I и II приводит к формированию оксидного слоя необходимой толщины d, которая, как установлено еще в работах [6,7], пропорциональна количеству циклов обработки N d = d0N, (2) Рис. 1. Влияние температуры синтеза на параметр роста слоев где d0 — коэффициент пропорциональности, который оксидов тантала (1) и алюминия (2).

характеризует строение синтезированного слоя и показывает усредненную толщину пленки за один цикл обработки обоими компонентами.

Al2O3 и Ta2O5, позволил определить параметр d0 в (2) Зависимость (2) является характерной для продля каждой Ts и установить, что в интервале температур цессов химической сборки [8]; ее экспериментальное Ts = 443-553 K формирование наноструктур идет по подтверждение для многослойных систем было продеслоевому механизму (рис. 1). В этих условиях парамонстрировано на примере чередующихся слоев оксидов метр d0 приближался к удвоенному межплоскостному кремния и титана [8] и халькогенидных структур [9] на расстоянию металл-кислород, характерному для сооткремнии.

ветствующего оксида. В случае оксида алюминия более Величина d0, получившая название „параметр роста высокие значения d0 были обусловлены хемосорбцией слоя“, является важнейшей характеристикой процесса и димера Al2X6 (X = Cl, Br) в различных ориентациях [12], позволяет оценивать степень заполнения поверхности, что могло приводить к формированию бимолекулярных которая служит критерием для определения механизслоев. Во всех случаях плотность гидроксильного покрома формирования наноструктур. Наибольший интерес ва на кремнии обеспечивала связь не более чем с двумя представляет слоевой механизм, который можно реагидроксильными группами поверхности [11]. Близость лизовать при практически полном гидроксилировании упругости паров галогенидов тантала и алюминия и поверхности и неравновесных условиях протекания ретемпературных условий слоевого механизма роста их акций I и II. Для этого необходимы достаточно высокая реакционная способность OH-групп гидроксили- оксидных систем значительно упрощала синтез многорованной поверхности и интенсивное удаление выде- слойных наноструктур на их основе, который требовал прогрева всей системы подачи реагентов в реактор до ляющегося хлористого водорода. Установлено [10,11], температуры источника паров.

что гидроксильные группы на кремнии, содержащем Поскольку при синтезе алюмооксидных слоев с помотонкий (< 1nm) оксидный слой, обладают слабыми щью обработки поверхности слоя оксида тантала парами протон-донорными свойствами. Поэтому для активации поверхностных реакций галогенидов алюминия и танта- галогенида алюминия возможна реакция замещения ла с гидроксильными группами использовался активатор Ta2O5 + AlX3 Al2O3 + TaX5, (III) обмена — триэтиламин. Последний ввиду сильных протон-акцепторных свойств стабилизировал гидроксильбыли проведены оценка тепловых эффектов и расный покров дополнительными водородными связями, чет константы равновесия Kf,T по методу Темкиактивировал реакцию за счет образования промежуна-Шварцмана с использованием уравнения для изоточного комплекса и связывал выделяющийся хлорисбарного потенциала GT = 2.3RT lg Kf,T и G0 = тый водород. На металлической матрице, содержащей T = HT - T S0.

тонкий оксидный слой, по всей вероятности, имеет T место аналогичная ситуация, поскольку ингибирующее Расчеты, проведенные для хлорида и бромида алюдействие электронно-насыщенного металлического осто- миния, показали, что реакции замещения практически ва будет также ослаблять протон-донорную способность исключаются, если синтез таких многослойных систем гидроксильных групп. В ходе синтеза триэтиламин, не методом МН проводить при Ts < 470 K для AlBr3 и склонный к реакциям нуклеофильного замещения, пода- при Ts < 600 K для AlCl3. Учитывая это, синтез слоев вался совместно с парами воды (H2O + N(C2H5)3). мы проводили с использованием хлоридов тантала и Анализ серии зависимостей толщины слоя от числа алюминия при Ts = 473 K, что соответствовало условициклов обработки поверхности d = f (N), полученных ям слоевого роста каждого компонента многослойной при различных температурах подложки Ts для слоев структуры (рис. 1).

Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. Диэлектрические многослойные наноструктуры оксидов тантала и алюминия ет правильность оценки условий синтеза по изменению изобарного потенциала системы.

Как видно из рис. 3, появление сигнала от кремниевой матрицы наблюдалось только после 40-минутного травления, что при данной скорости травления хорошо согласовывалось с общей толщиной оксидной структуры.

Для алюминиевой и танталовой матриц формирование многослойных наноструктур проходило аналогично.

Анализ Оже-спектров показал зональное распределение каждого металла в наноструктуре (рис. 3), что отличало эти материалы от смеси оксидов. Следовательно, они должны обладать некоторыми особыми свойствами, Рис. 2. Зависимость толщины многослойных оксидных наиболее важными из которых являются диэлектриструктур, полученных при Ts = 473 K, от количества циклов ческая проницаемость, проводимость и электрическая молекулярного наслаивания N. 1 — 40 Ta2O5 + 40 Al2O3, прочность.

2 — 20 Ta2O5 + 20 Al2O3 + 20 Ta2O5 + 20 Al2O3, 3 — Электрические параметры наноструктур изучались 30 Al2O3 + 30 Ta2O3 + 20 Al2O3, 4 —40 Ta2O5 + 40 Al2O3.

на системах Al(Ta)-Al2O3(di)-Ta2O5(d )-Ni и j Si-Al2O3(di)-Ta2O5(d )-Ni, синтезированных при j Ts = 453 K, с варьируемыми толщинами di и d и их j различным чередованием при общей толщине 50-60 nm.

Эллипсометрическое исследование динамики роста многослойной структуры показало, что для всех матриц в пределах каждого слоя сохранялась линейность зависимости d = f (N) с параметрами d0 0.3nm для Ta2Oи 0.45 nm для Al2O3, характерными для слоевого роста этих оксидов (рис. 1). На рис. 2 представлена зависимость такого типа для многослойных структур на кремнии. Изменение толщины синтезируемой многослойной композиции, пропорциональное параметру роста для соответствующего оксида, указывало на сохранение слоевого механизма формирования и отсутствие активных диффузионных процессов, приводящих к смешиванию.

Этот вывод подтвердило изучение состава и профиля распределения элементов по толщине, которое проводилось методами РФЭС и Оже-спектроскопии для двухслойных систем Si-Al2O3-Ta2O5 и Si-Ta2O5-Al2O3 с толщиной каждого слоя до 20 nm. В РФЭ-спектрах не обнаружено энергетических максимумов, характерных для галогенов и кремния, что свидетельствует о полноте протекания поверхностных реакций и сплошности получаемых слоев при данной толщине.

В РФЭ-спектрах синтезированных многослойных структур хорошо идентифицировались линии с Es = 118.9 и 74.8 eV, соответствующие 2s- и 2p-уровням алюминия, а также с Es = 26.8eV, характерные для 4 f -уровней тантала.

Анализ Оже-спектров с послойным травлением ионами аргона (скорость травления составляла около 0.5 nm/min) показал (рис. 3), что для структур с d > 10 nm, полученных при Ts = 473 K, распределение Ta и Al соответствовало чередованию их оксидных слоев при синтезе. Следует отметить, что при получении Рис. 3. Изменение интенсивностей Оже-пиков кислоромногослойных наноструктур при Ts = 573 K с испольда (1), алюминия (2), тантала (3) и кремния (4) при позованием бромида алюминия распределение Ta и Al слойном стравливании наноструктуры Si-Ta2O5-Al2O3 (a) и больше соответствовало смеси оксидов, что подтвержда- Si-Al2O3-Ta2O5 (b) с толщиной каждого слоя около 10 nm.

Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 2102 Ю.К. Ежовский, А.И. Клусевич Диэлектрическая проницаемость многослойных наноструктур Al2O3-Ta2O5 различной композиции Толщина Количество Толщина Количество Чередование № слоя Al2O3 слоев слоя Ta2O5 слоев слоев Экспери- Эксперимент после п/п Расчет di, nm ni dj, nm nj в наноструктуре мент термообработки 1 5 6 5 6 атататататат 13.6 14.8 14.2 10 3 10 3 ататат 13.7 14.8 14.3 25 1 25 1 ат 13.7 14.8 14.4 10 3 5 4 тататат 12.2 13.0 12.5 20 2 5 3 татат 11.2 11.7 11.6 20 2 10 2 тата 12.2 13.0 12.7 10 2 20 2 атат 15.8 16.9 16.8 10 1 50 1 ат 18.1 19.35 18.9 5 3 20 2 атата 17.7 18.7 18.П р и м е ч а н и е. а — слой оксида алюминия; т — слой оксида тантала.

На структурах с кремниевой матрицей проводилось компонента структуры до значений менее 5 nm вид этой изучение влияния высокотемпературной (T = 873 K) зависимости изменяется и постепенно приближается термообработки. Важной является оценка диэлек- к форме кривой 2 (рис. 4), характерной для di или трической проницаемости систем, которая для d 1 nm. Наблюдаемая картина, на наш взгляд, вызвана j многослойных композиций может рассчитываться проявлением туннельного механизма переноса заряда с помощью различных методик [13]. Нами было при di, d < 5 nm и зарядовыми состояниями на граниj использовано сравнение экспериментальных данных со цах раздела многослойной композиции. Это подтвердил значениями, рассчитанными по модели Ландау-Лиф- и анализ вольт-амперных характеристик (ВАХ) оксидшица для статистической смеси диэлектриков, ных наноструктур (рис. 5), который показал, что при которое показало, что диэлектрическая проницаемость толщине слоя более 10 nm омический участок в области многослойной композиции во всех случаях ниже слабых полей (E < 105 V · cm-1) сменяется участком расчетной (см. таблицу). Это указывало на отличие экспоненциальной зависимости тока от напряженности синтезированной многослойной диэлектрической электрического поля (рис. 5, a). Такая зависимость хананоструктуры от смеси оксидов. Только после рактерна для переноса заряда в неупорядоченных систедвухчасовой термообработки (T = 873 K) структур мах по механизму прыжкового переноса электронов по экспериментальные значения приближались к локализованным состояниям [14]. При толщинах дирассчитанным для смеси диэлектриков. Наилучшее электрика менее 5 nm ВАХ указывали на преобладание совпадение наблюдалось для образцов с малой туннельного механизма, о чем свидетельствовала их толщиной (di, d 5nm) слоя хотя бы одного из = линеаризация в координатах lg(J/V ) = f (V ) (J —плотj компонентов системы (см. строки № 1, 4, 5, ность тока).

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.