способ формирования наноразмерных структур на поверхности полупроводников для использования в микроэлектронике

Формула изобретения

1. Способ формирования наноразмерных структур на поверхности полупроводников для использования в микроэлектронике, включающий создание подслоя золота на атомарно-чистой поверхности Si(111)7×7, отличающийся тем, что вначале формируют буферный слой покрытием 0,9 монослоя золота при температуре 600°C в условиях сверхвысокого вакуума с образованием упорядоченного двумерного подслоя Si(111)- 3× 3-Au, после чего осаждают фуллерены с последующим осаждением на подготовленную подложку от 0,6 до 1 монослоя золота в условиях сверхвысокого вакуума при температуре подложки, равной 20°C.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что осаждают от 1 до 3 слоев фуллеренов при температуре 20°C с образованием фуллеритоподобной решетки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии изготовления наноструктурных элементов полупроводниковых приборов и может быть использовано при создании твердотельных электронных приборов.

Проблема создания проводящих пленок сверхмалой толщины, обладающих высокой проводимостью, является в настоящее время особо актуальной в области полупроводникового приборостроения. Большой интерес в связи с этим привлекает возможность получения таких проводящих пленок с использованием фуллеренов. Известно, что появилась возможность управлять состоянием подложки кремния путем формирования на ней поверхностных реконструкций атомов металлов, например, серебра или золота, с включением фуллеренов. В частности, послойный рост фуллеренов наблюдается на поверхности Si(111)- - 3× 3-Au с помощью метода сканирующей туннельной микроскопии [A.V.Matetskyi, D.V.Gruznev, A.V.Zotov, A.A.Saranin, Modulated С₆₀ monolayers on Si(111) 3× 3-Au reconstructions // Phys. Rev. B, 2011, v.83, p.195421].

Такие слои упорядоченного двумерного слоя фуллеренов могут иметь большое практическое значение, например, в качестве органического полупроводника в производстве электрических схем, например, при изготовлении тонкопленочных транзисторов; в качестве проводящего материала в органических электролюминесцентных элементах и устройствах; в качестве акцептора электронов в фотоактивном слое в фотодиодах; в технологии производства полупроводниковых приборов, в частности полевых транзисторов и др.

В литературе описаны различные способы получения сверхтонких проводящих пленок на поверхности полупроводников.

Известен способ формирования сверхтонких пленок серебра, заключающийся в осаждении серебра на поверхность кремния Si(111)7×7 в условиях сверхвысокого вакуума. Существенным недостатком данного способа получения пленок является их формирование только при низкой температуре (83 K). В случае напыления серебра на поверхность Si(111)7×7 при комнатной температуре наблюдается островковый рост пленки, морфология которой к тому же еще зависит и от скорости осаждения серебра. Такой способ роста существенно снижает электропроводность серебряной пленки и в дальнейшем приводит к ее зернистости. При этом электропроводность пленки серебра, сформированной при температуре 83 K, обнаруживается только при покрытии больше 1 монослоя [S.Heun, J.Brange, R.Schad, M.Henzler, Conductance of Ag on Si(111): a two-dimensional percolation problem // J. Phys. Condens. Matter, 1993, v.5, p.2913].

Известен также способ формирования упорядоченных металлических пленок, заключающийся в осаждении индия на поверхность Si(111) 3× 3-In в условиях сверхвысокого вакуума при комнатной температуре. При этом поверхность реконструируется из 3× 3 в 2×2, а затем в 7× 3, которая является металлической. Недостатком такого способа является то, что при покрытии более четырех монослоев индия наблюдается островковый рост пленки индия, а также то, что при покрытии около одного монослоя пленка индия (реконструкция 2×2) обладает небольшой поверхностной проводимостью (порядка ~2×10 ^-5 Ом^-1/ ) [S.Takeda, X.Tong, S.Ino, S.Hasegawa, Structure-dependent electrical conduction through indium atomic layers on the Si(111) surface // Surf. Sci., 1998, v.415, p.264].

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ формирования сверхтонких пленок золота на поверхностях Si(111)7×7 и Si(100)2×1 [D.A.Tsukanov, S.V.Ryzhkov, S.Hasegawa, V.G.Lifshits, Surface Conductivity of Submonolayer Au/Si System // Phys. Low-Dim. Struct., 1999, v.7/8, p.149] (прототип), который включает следующие стадии:

- предварительное получение атомарно-чистой поверхности кремния путем высокотемпературного отжига (1250°C) в условиях сверхвысокого вакуума;

- осаждение необходимого количества золота на подготовленную вышеуказанным способом подложку в условиях сверхвысокого вакуума при температуре 20°C.

Недостаток данного способа состоит в том, что такие сверхтонкие пленки при покрытиях золота от 0 до 4 МС ухудшают электрическую проводимость подложки, что обусловлено процессом силицидообразования, который существенно изменяет морфологию поверхности пленки, усиливая ее шероховатость. Это приводит к существенному рассеянию носителей заряда в приповерхностной области пленки, что уменьшает их подвижность, а следовательно, и электрическую проводимость такой пленки в целом.

Заявляемое изобретение решает задачу создания проводящих пленок сверхмалой толщины на поверхности полупроводниковой подложки, обладающих высокой электропроводностью.

Техническим результатом, который может быть получен при реализации предлагаемого изобретения, является возможность контролируемого формирования сверхтонких наноразмерных структур на поверхности полупроводниковой подложки с заданным значением электропроводности.

Поставленная задача решается заявляемым способом формирования наноразмерных структур на поверхности полупроводников, включающим осаждение буферного слоя золота толщиной 0,9 монослоя на атомарно-чистую поверхность кремния (111) при температуре 600°C в условиях сверхвысокого вакуума с образованием упорядоченного двумерного подслоя Si(111)- - 3× 3-Au, последующем осаждении от 1 до 3 слоев фуллеренов при температуре 20°C и осаждении при температуре 20°C поверх сформированной фуллеритоподобной решетки слоя золота от 0,6 до 1 монослоя золота - в количестве, необходимом для получения заданного значения электропроводности.

При этом один монослой золота, осаждаемого на поверхность кремния, соответствует концентрации атомов 7,8×10¹⁴ см^-2 для поверхности кремния (111).

Отличительными признаками заявляемого способа являются:

- формирование буферного слоя золота моноатомной толщины с образованием упорядоченного двумерного подслоя Si(111)- - 3× 3-Au;

- осаждение на двумерный подслой Si(111)- - 3× 3-Au от 1 до 3 слоев фуллеренов при температуре 20°C с образованием фуллеритоподобной решетки;

- осаждение на подготовленную поверхность от 0,6 до 1 монослоя золота.

Предварительным этапом осуществления заявляемого изобретения является подготовка поверхности Si(111) путем прогрева образца при температуре 1250°C в течение 20 с в условиях сверхвысокого вакуума не более 1×10^-7 Па; получают атомарно-чистую поверхность Si(111) с концентрацией структурных дефектов менее 3%.

На очищенной поверхности кремния Si(111) создают буферный слой, представляющий собой поверхностную реконструкцию Si(111)- 3× 3-Au из атомов золота и кремния моноатомной толщины, обладающий таким свойством, что молекулы фуллеренов, осажденные на указанный слой при комнатной температуре, не вступают в химическую реакцию с атомами кремния и золота, а, свободно мигрируя по поверхности атомных террас, конденсируются на них, образуя слой мономолекулярной толщины с периодом решетки фуллерита. Покрытие фуллеренов от 1 до 3 слоев (1 монослой фуллеренов соответствует их поверхностной концентрации 1,1×10¹⁴ см^-2) необходимо, чтобы гарантированно покрыть поверхность подложки сплошным слоем. При этом роль фуллеренов состоит в том, что они принимают на себя электроны, которые в отсутствие фуллеренов атомы золота могли бы донировать в подложку и таким образом влиять на свойства объемного заряда в приповерхностном слое подложки. Использование фуллеренов приводит к тому, что данный слой объемного заряда не изменяется или меняется незначительно. В результате электрическая проводимость подложки остается стабильной при начальных стадиях формирования пленки золота, в отличие от прототипа.

Заявляемое изобретение поясняется чертежами:

фиг.1 - приведена технологическая последовательность формирования нанопленок Au на поверхности подложки кремния Si(111);

фиг.2 - представлено изображение поверхности с нанопленкой золота под слоем фуллеренов толщиной - 0,5 монослоев (а), 1 монослой (б), 2 монослоя (в) и 4 монослоя (г);

фиг.3 - представлены результаты измерений электропроводности полученных образцов.

При этом изображения поверхности, представленные на фиг.2, получены в сканирующем туннельном микроскопе "Omicron" VT STM; размер изображения 21×21 нм². На этих изображениях видно, что молекулы фуллеренов образуют сплошной упорядоченный слой, который повторяет рельеф поверхности двумерного подслоя Si(111)- 3× 3-Au (на фиг.2,а хорошо просматриваются доменные границы). Адсорбированные атомы золота проникают сквозь слой фуллеренов и образуют сначала островки (фиг.2,а-б), а затем сплошную пленку (фиг.2,в-г), при этом молекулы фуллеренов продолжают находиться сверху, испытывая только небольшие смещения от мест своих положений в решетке вследствие растяжения поверхности и/или взаимодействия с адсорбированными атомами золота.

Заявляемый способ формирования наноразмерных структур на поверхности полупроводников осуществляют следующим образом.

На очищенную поверхность в условиях сверхвысокого вакуума осаждают атомы золота толщиной 0,9 моноатомных слоя (МС). Золото осаждают из эффузионной ячейки со скоростью 0,5 МС/мин, температура подложки в ходе осаждения 600°C. В результате на поверхности подложки формируется поверхностная реконструкция Si(111)- - 3× 3-Au моноатомной толщины [Т.Nagao, S.Hasegawa, K.Tsuchie, S.Ino, C.Voges, G.Klos, H.Pfn^··ur, and M.Henzler, Structural phase transitions of Si(111)-( 3× 3)R30°-Au: Phase transitions in domain-wall configurations, Phys. Rev. B, 1998, v.57, p.10100] (фиг.1,а).

На сформированную поверхность Si(111)- - 3× 3-Au при температуре 20°C осаждают молекулы фуллерена с толщиной в диапазоне от 1 до 3 МС; при этом осажденные молекулы конденсируются на атомных террасах с образованием фуллеритоподобной решетки (фиг.1,б).

На заключительном этапе на приготовленную таким образом поверхность при температуре около 20°C осаждают необходимое количество золота для достижения требуемого значения электропроводности (фиг.1,в).

Экспериментально установлено, что при осаждении золота на поверхностную реконструкцию Si(111)- - 3× 3-Au без фуллереновой прослойки при покрытии золота от 0 до 1,5 монослоев наблюдается ухудшение электропроводности полученной пленки золота, что подтверждают результаты измерений, представленные на фиг.3.

Для характеристики проводимости сформированных слоев пленок золота с фуллеренами были проведены измерения электропроводности в зависимости от толщины пленок золота непосредственно после формирования указанных пленок - в условиях сверхвысокого вакуума.

Возможность осуществления заявляемого изобретения поясняется примерами его осуществления.

Пример 1. На поверхность подложки Si(111) со сформированным буферным слоем Si(111)- 3× 3-Au и осажденным на него слоем фуллеренов напыляют 0,6 монослоя золота в условиях сверхвысокого вакуума при температуре подложки, равной 20°C. Измерения электропроводности показывают, что проводимость такой подложки увеличилась на (0,25±0,09)×10 ^-4 Ом^-1/ .

Сравнение этого примера с результатами электрофизических измерений прототипа показывает, что при таком же покрытии золота электропроводность подложки Si(111)7×7 (прототипа) практически не изменяется. Такой же результат наблюдается и в случае, если при тех же условиях, что и в примере 1, осаждать 0,6 монослоя золота, но без нанесения слоя фуллеренов (см., например, фиг.3).

Пример 2. На поверхность подложки Si(111) со сформированным буферным слоем Si(111)- 3× 3-Au и осажденным на него слоем фуллеренов напыляют 0,2 монослоя золота в условиях сверхвысокого вакуума при температуре подложки, равной 20°C.

Измерения электропроводности показывают, что проводимость такой подложки не изменилась, в то время как наблюдается ухудшение проводимости подложки Si(111)- 3× 3-Au, но без нанесения слоя фуллеренов (фиг.3); ухудшение электропроводности образца, полученного в аналогичных условиях, наблюдается также в способе, взятом за прототип. Таким образом, экспериментальные данные показывают, что покрытие золота, напыляемого на поверхность подложки, не должно быть меньше 0,2 монослоев.

Пример 3. На поверхность подложки Si(111) со сформированным буферным слоем Si(111)- 3× 3-Au и осажденным на него слоем фуллеренов напыляют в условиях сверхвысокого вакуума 1 монослой золота при температуре подложки, равной 20°C. Измерения электропроводности показывают, что электропроводность такой подложки увеличилась на (0,40±0,07)×10 ^-4 Ом^-1/ , что также превышает значение электропроводности прототипа.

Измерена электропроводность подложки Si(111) со сверхтонкими пленками золота, полученными напылением в условиях сверхвысокого вакуума золота на поверхность Si(111)- - 3× 3-Аи, покрытую слоем молекул фуллеренов, и на поверхность Si(111)- - 3× 3-Au без слоя фуллеренов. В обоих случаях измерения показывают разные значения электропроводности в зависимости от толщины слоя нанесенного золота (фиг.3). Это свидетельствует о том, что, используя состояние поверхности полупроводниковой подложки и количество осаждаемого золота, можно получать наноразмерные структуры с заданным значением электропроводности.

Данные экспериментальных исследований показывают, что оптимальное количество напыляемого золота составляет от 0,6 до 1 монослоя, позволяя формировать наноструктуры сверхтонких размеров, обладающих при этом оптимальными значениями электропроводности. Если покрытие золота будет меньше 0,6 монослоя, вклад такого слоя золота в электропроводность подложки не будет заметен на фоне проводимости подложки с буферным слоем. При покрытии золота более 1 монослоя значения проводимости будут определяться морфологией поверхности и взаимодействием адсорбированного слоя с молекулами фуллерена. В этом случае значения электропроводности могут быть близкими к прототипу.

Сопоставительный анализ существенных признаков заявленного способа с существенными признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».

При этом совокупность отличительных признаков заявляемого способа обеспечивает возможность не только формирования сверхтонких нанопленок золота на поверхности полупроводниковой подложки с повышением их электропроводности, но и позволяет контролировать этот процесс создания наноструктур - обеспечивает возможность формирования сверхтонких нанопленок с заданным значением электропроводности.

Практическая значимость предлагаемого способа заключается в возможности создания на основе нанопленок, полученных заявляемым способом, электрических контактов и проводящих элементов для интегральных микросхем. Заявляемый способ предлагается использовать в технологии изготовления полупроводниковых приборов нанометрического масштаба, которые могут быть использованы в цифровой электронике, СВЧ-электронике, в качестве датчиков и сенсоров газов, теплового или радиационного излучения.