способ получения квантоворазмерных структур на основе аморфных кремниевых нанокластеров, встроенных в диэлектрическую матрицу

Формула изобретения

Способ получения квантоворазмерных структур на основе аморфных кремниевых нанокластеров, встроенных в диэлектрическую матрицу, путем разложения смеси моносилана и источника азота в плазме тлеющего разряда с образованием продуктов реакции и осаждения из них квантоворазмерных структур на основе аморфных кремниевых нанокластеров, встроенных в диэлектрическую матрицу, в плазме тлеющего разряда на подложку, отличающийся тем, что при разложении и осаждении используют плазму тлеющего разряда с частотой 45-65 кГц, а в качестве источника азота используют аммиак.

Описание изобретения к патенту

Изобретение касается области получения квантоворазмерных структур на основе аморфных кремниевых нанокластеров, встроенных в диэлектрическую матрицу, путем осаждения из плазмы низкочастотного разряда в кремнийсодержащей газовой смеси и может быть использовано в твердотельной электронике.

Известен способ получения квантоворазмерных структур на основе нанокристаллических кремниевых квантовых точек, который заключается в разложении газовой смеси моносилан - аргон в сверхвысокочастотном (144 мГц) тлеющем разряде (см. S.Oda and К.Nishiguchi J.Phys. v.IV, №11, 2001, Pr.3 - 1065-1071).

Способ позволяет получать квантоворазмерные структуры приборного качества при повышенных скоростях роста. Однако проявление квантоворазмерного эффекта достигается только при осаждении нанокристаллических кремниевых квантовых точек на специальным образом подготовленную подложку, что усложняет и удорожает процесс получения квантоворазмерных структур.

Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому является способ получения квантоворазмерных структур на основе аморфных кремниевых нанокластеров, встроенных в матрицу нитрида кремния, путем разложения моносилана в атмосфере азота в плазме высокочастотного (13,56 мГц) тлеющего разряда с образованием продуктов реакции и осаждения из них квантоворазмерных структур на основе аморфных кремниевых нанокластеров, встроенных в матрицу нитрида кремния, в плазме тлеющего разряда на подложку (см. Nae-Man Park, Chel-Jong Choi, Tae-Yeon Seong and Seong-Ju Park PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2001, V.86, p.1355-1357).

Однако указанным способом удается получать пленки приборного качества только при низких скоростях роста (1,4-3,2 нм/мин).

Целью изобретения является повышение скорости роста квантоворазмерных структур на основе аморфных кремниевых нанокластеров, встроенных в матрицу нитрида кремния, при сохранении их приборных качеств.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе получения квантоворазмерных структур на основе аморфных кремниевых нанокластеров, встроенных в диэлектрическую матрицу, путем разложения смеси моносилана и источника азота в плазме тлеющего разряда с образованием продуктов реакции и осаждения из них квантоворазмерных структур на основе аморфных кремниевых нанокластеров, встроенных в диэлектрическую матрицу, при разложении и осаждении используют плазму тлеющего разряда с частотой 45-65 кГц, а в качестве источника азота используют аммиак.

Новым в способе является то, что при разложении и осаждении используют плазму тлеющего разряда с частотой 45-65 кГц, а в качестве источника азота используют аммиак.

Сущность изобретения заключается в том, что благодаря проведению процесса осаждения в плазме низкочастотного тлеющего разряда удается повысить скорость осаждения пленок нитрида кремния со встроенными в них аморфными кремниевыми нанокластерами до 50-150 нм/мин.

Увеличение скорости роста можно объяснить, по крайней мере, тремя причинами:

во-первых: использование аммиака в качестве источника азота для формирования пленок нитрида кремния увеличивает скорость роста за счет меньшей энергии диссоциации молекул аммиака по сравнению с молекулами азота;

во-вторых: меньшие энергетические потери в плазме низкочастотного разряда, вызванные столкновениями низкоэнергетических электронов, ввиду большей средней энергии электронов газового разряда и, соответственно, меньшей доли низкоэнергетических электронов;

в-третьих: коэффициент полезного действия согласующего устройства между низкочастотным генератором и реакционным объемом приблизительно в три раза выше, чем для аналогичной высокочастотной установки.

Кроме того, предлагаемый способ позволяет производить осаждение квантоворазмерных структур на любую подложку за одну стадию.

Выбор частоты генератора связан с возможностью осаждения структур на диэлектрические (например, стеклянные) подложки толщиной до 1 мм. В диапазоне 45-65 кГц локальное сопротивление разрядного промежутка увеличивается примерно на треть по сравнению со случаем отсутствия подложек, что позволяет получать достаточную степень равномерности структур по подложке. При меньших частотах неравномерность хуже, при больших частотах нарушается низкочастотный режим горения разряда.

Из уровня техники не вытекает, что снижение частоты плазмы тлеющего разряда при использовании в качестве источника азота аммиака приводит к увеличению скорости роста квантоворазмерных структур. На основании чего можно сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию изобретательского уровня.

Сущность изобретения поясняется примером осуществления способа.

Пример. Процесс осаждения производят на установке промышленного типа "MINI GOUPYL" (France). В качестве подложек используют пластины монокристаллического кремния. Очищенные подложки помещают на графитовые электроды-подложкодержатели, расстояние между которыми составляет 14 мм, и устанавливают в горизонтальной реакционной камере. Реакционную камеру откачивают до давления 0,1 Па, подложки нагревают до 380°С в течение 60 мин. После нагрева в камеру подают моносилан с расходом 60 см³/мин, аммиак с расходом 300 см ³/мин, устанавливают рабочее давление 240 Па, мощность низкочастотного генератора 200 Вт, возбуждают плазму на частоте 55 кГц и производят осаждение квантоворазмерных структур на основе аморфных кремниевых нанокластеров, встроенных в диэлектрическую матрицу.

Последующие опыты отличаются от описанного тем, что осаждение проводят при изменении частоты плазмы тлеющего разряда.

Проводят измерения следующих основных оптических и электрофизических параметров - толщина структуры d, скорость роста V_d, фотолюминесценция, комбинационное рассеяние света.

Скорость роста определяют из измерений толщины осаждаемых структур на установке Talystep. Измерение фотолюминесценции проводят при освещении структур излучением УФ лазера на длине волны 337 нм спектрометром Multisem 440. Для измерения комбинационного рассеяния света использовалась линия аргонового лазера 514.5 нм. Спектры регистрировались в геометрии квазиобратного рассеяния, угол падения лазерного пучка был близок к углу Брюстера для кремния, рассеянный свет с произвольной поляризацией.

Данные измерений представлены в таблице.

Таблица
Образец	Толщина пленки d, нм	Vd, нм/мин	Максимум фотолюминесценции, нм	КР
YL-1	760	85	450	Кремниевые кластеры, встроенные в нитридную матрицу, имеют некристаллическую структуру

Таким образом, как следует из приведенных характеристик, заявляемый способ получения квантоворазмерных структур на основе аморфных кремниевых нанокластеров, встроенных в диэлектрическую матрицу, в плазме низкочастотного тлеющего разряда при использовании в качестве источника азота аммиака обеспечивает получение квантоворазмерных структур при высоких скоростях роста (50-150 нм/мин).