Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Технология приборостроения

Диссертационная работа:

Алтухов Андрей Александрович. Разработка и исследование физико-технологических принципов создания микроэлектронных устройств на основе планарных многослойных гетероэпитаксиальных структур Si, CaF2 и CoSi2, сформированных методом молекулярно-лучевой эпитаксии : Дис. ... канд. техн. наук : 05.27.06, 05.11.14 Москва, 2005 174 с. РГБ ОД, 61:05-5/3835

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ

ОБОЗНАЧЕНИЙ 6

ВВЕДЕНИЕ 8
Глава 1. Применение молекулярно-лучевой эпитаксии для
создания новых типов приборных гетероструктур

микроэлектроники 26

J*

  1. Введение. 26

  2. Структуры типа «кремний-на-диэлектрике» 27 1.2.1. Выбор материалов для формирования диэлектрических слоев 29

  3. Выбор материала для формирования проводящих слоев 31

  4. Создание многослойных приборных гетероструктур 35

  1. Новые приборные гетероструктуры с использованием комбинаций полупроводник - диэлектрик-металл 36

  2. Структуры Si/CaF2/Si для КНД- транзисторов и КМОП ИС 37

  3. Детекторы электромагнитных и ионизирующих излучений 38

  4. Транзисторы с баллистическим переносом носителей 41

1.5. Требования к аналитическим методам 42

1.6. Основные выводы 44
J 1.7. Выбор направления работ 45

ГЛАВА 2. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ

ГЕТЕРОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ 47

2.1. Аппаратура для формирования многослойных гетероструктур 47

  1. Технологическая система сверхвысокого вакуума для МЛЭ 47

  2. Загрузочный реактор для УФ обработки 50 4* 2.2. Технический подход и методы исследования 51

2.2.1. Аппаратура и методы микроэлементного анализа 52

  1. Метод электронной Оже-спектроскопии (ОЭС) 53

  2. Масс-спектроскопия 58

  1. Аппаратура и методы микроструктурного анализа 61

  2. Прочие электрофизические методы 63

  1. Базовые технологические процессы 64

  2. Подготовка поверхности подложек 65

  1. Ионно-плазменная очистка поверхности Si 65

  2. Химико-термическая очистка поверхности Si 67

  3. Подготовка и чистка поверхности CaF2 71

2.5. Основные выводы к Главе 2 73

ГЛАВА 3. РОСТ И СТРУКТУРА ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ

ГЕТЕРОСТРУКТУР 76

  1. Дисилицид кобальта на (100)Si 76

  2. Фторид кальция на (100)Si 83

  3. Кремний на (100) CaF2 86

  4. Дисилицид кобальта на (100)CaF2 87

  5. Гетероструктуры кремний/фторид кальция/кремний 90

  6. Гетероструктуры кремний/ силицид кобальта /кремний 93

  7. Гетероструктуры Si/CoSi2/GaF2 95

  8. Основные выводы к Главе 3 97

ГЛАВА 4. МОДИФИКАЦИЯ электрофизических

ПАРАМЕТРОВ гетероструктур 99

  1. Электронно-стимулированная модификация электрофизических параметров гетероструктур CaF2/Si 99

  2. Изменение оптических свойств гетероструктур CaF2/Si при электронном облучении 104

  3. Управление высотой барьера Шоттки эпитаксиальных

силицидов на кремнии 108

  1. Формирование упорядоченной структуры микропроколов CoSi2/(100)Si ПО

  2. Основные выводы к Главе 4 111

4 ГЛАВА 5. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ УСТРОЙСТВА МИКРО- И ОПТО-

ЭЛЕКТРОНИКИ НА ОСНОВЕ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ

ГЕТЕРОСТРУКТУР 114

5.1 Транзисторные КНД структуры на основе слоев Si/CaF2/Si 114

5.2. Структуры КНД КМОП ИС на основе Si/CaF2/Si 117
5.2.1. Структуры КНД КМОП ИС на основе Si/CaF2/Si с кольцевым
затвором 119

5.3. Гетероэпитаксиальные детекторы ионизирующих излучений на
основе структур CaF2/CoSi2/Si 122

  1. Разновидности конструкции детекторов ионизирующих излучений129

  2. Матрица детекторов ионизирующих излучений 130

  1. Фото- и гамма детекторы с внутренним отражающим слоем 131

  2. Применение структур Si/CoSi2/Si для создания баллистических транзисторов 134

  1. Применение структур Si/CoSi2/Si для создания транзисторов с с проницаемой базой (ТПБ) 134

  2. Применение структур Si/CoSi2/Si для создания транзисторов с металлической базой 137

5.6. Основные выводы к Главе 5 139

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 142

Основные результаты диссертационной работы 142
Научная новизна теоретических положений и результатов

экспериментальных исследований, полученных автором 144
Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов

диссертационной работы 145
Практическая и научная полезность результатов диссертационной

работы 147

Внедрение результатов работы 148

Апробация работы 149

*

*

Благодарности 15 О

ЛИТЕРАТУРА 151

ПРИЛОЖЕНИЯ 163

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ
* ОБОЗНАЧЕНИЙ

БИС - большая интегральная схема;

БТО - быстрый термический отжиг;

ВТ - вычислительная техника;

ВИМС - вторично-ионная масс-спектроскопия;

ДБЭ - дифракция быстрых электронов;

ВАХ - вольтамперные характеристики;

ВФХ - вольт-фарадные характеристики;

ВЧ - высокочастотный;

ДБШ - диод с барьером Шоттки;

ДИИ - детектор ионизирующих излучений;

ИК- инфракрасный;

ИИ - ионизирующее излучение;

ИС - интегральная схема;

КНД- структура «кремний на диэлектрике»;

КМОП ИС - комплементарная интегральная схема со структурой «металл-окисел-полупроводник»;

МДП - структура «металл-диэлектрик-полупроводник»;
[^ МОП - структура «металл-окисел-полупроводник»;

МЛЭ - молекулярно-лучевая эпитаксия;

МЭ - микроэлектроника;

ОЭС - Оже-электронная спектроскопия;

ПЭМ - просвечивающий электронный микроскоп;

РЭМ - растровый электронный микроскоп;
fX' СБИС - сверхбольшая интегральная схема;

СВВ - сверхвысокий вакуум;

СТО - специальное технологическое оборудование;

ТКС - температурный коэффициент сопротивления;

7 ТКР- температурный коэффициент расширения;

ТМБ - транзистор с металлической базой;

ТПБ - транзистор с проницаемой базой;

ТФЭ - твердофазная эпитаксия;

ЦЗА - центрально-зеркальный анализатор (ОЭС);

ЭВМ - электронная вычислительная машина;

ЭЛИ - электронно-лучевой испаритель;

УФ - ультрафиолетовый;

ЭСВ- электронно-стимулированная десорбция.

Введение к работе:

В настоящее время полупроводниковая интегральная микроэлектроника занимает, без сомнения, лидирующее место среди высоких технологий XXI века. Однако, вследствие практически предельных возможностей существующих технологий и параметров традиционных материалов, важной задачей является разработка и внедрение новых конструктивно-технологических решений в этой области и поиск новых материалов. Актуальным направлением является переход к использованию многослойных, в том числе, - квантово-размерных гетероструктурам на кремниевой подложке, как альтернатива традиционным объемным материалам, структуры с баллистическим переносом носителей и квантовыми ямами. Идеальным вариантом для создания многослойных и квантово-размерных структур на основе кремния могло бы быть применение монокристаллических материалов с близкими к кремнию и между собой кристаллографическими параметрами, что обеспечивало бы формирование более структурно-совершенных слоев и снижение плотности дефектов на границах раздела.

Одной из наиболее перспективных технологий для формирования многослойных квантово-размерных структур является молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ), которая позволяет формировать в условиях глубокого вакуума (10"10- 10"11 Торр) из молекулярных пучков совершенные монокристаллические пленки сверхмалой толщины, а также многослойные композиции, объединяющие в своем составе материалы с противовоположными электрофизическими свойствами, в т.ч. металлы, диэлектрики и полупроводники. В настоящее время технология МЛЭ широко используется для создания новых полупроводниковых комбинаций и многослойных композиций на основе слоев элементарных (Si, Ge) и многокомпонентных (А3В5 и А2В6, их тройных и четверных соединений) полупроводниковых материалов. Это обеспечивает улучшение технических

параметров устройств микроэлектроники, дает возможность изготовления на

единой подложке как кремниевых ИС, так и сопряженных с ними оптоэлектронных, детекторных и акустоэлектронных приборов, что расширяет функциональные возможности электронных устройств. Практическая реализация таких структур позволит изготовлять на их основе целый ряд теоретически предсказанных ранее приборов интегральной микроэлектроники, а также целый ряд новых устройств. Одной из перспективных разработок в этой области является технология «кремний-на-диэлектрике» (КНД), в которой используется формирование активных элементов ИС в объеме тонкого кремниевого слоя на диэлектрической (сапфир, S1O2, S13N4) подложке или промежуточном диэлектрическом слое. Использование КНД-структур в сочетании с конструктивно-технологическими особенностями ИС обеспечивает эффективные возможности улучшения важнейших электрофизических и технико-экономических параметров современных КМОП ИС, в т.ч. улучшенные показатели энергопотребления, быстродействия, и радиационной стойкости.

Систематические исследования возможностей применения МЛЭ для создания многослойных композиций и гетероструктур на основе кремния, начались в конце 70-х годов (США), а первые работы по МЛЭ дифторида кальция и силицида кобальта начались в начале 80-х годов (США, Япония, Франция и др.). В нашей стране исследования по МЛЭ начались несколько позже - в первой половине 80-х годов: пионерами были коллективы ИФП СО РАН (Стенин СИ., Пчеляков О.П. и др.), МНИИРМ (Минск), ЛФТИ (Алферов Ж.И., лаборатории Копьева П.С., группа Соколова Н.С.), ИРЭ (коллективы Дворянкина В.Ф., Митягина А.Ю., Мокерова В.Г), НИИ МЭ и НИИФП (Зеленоград), ФГУП «НПО Орион» (Осадчев Л.А.), ЦНИТИ (Житковский В.Д.), ИПТМ (Вяткин А.Ф.), ИОФАН и ФИАН (все - г.Москва) и другие ученые. Для этих целей были созданы и применялись различные экспериментальные МЛЭ системы, позднее в ИФП СО РАН (под руководством Стенина СИ.), были успешно разработаны первые

10 отчественные промышленные системы типа «Обь», «Ангара, «Катунь»;

несколько позднее рядом предприятий были приобретены современные

технологические системы (в основном пр-ва фирмы ф. ISA Riber, Франция).

Однако, высокая стоимость и сложность технологических и аналитических

узлов систем МЛЭ, в целом не позволили наладить комплексные

исследования в этой области. Немаловажно и то, что экспорт таких систем

находился под строгим экспортным контролем. В настоящее время

развитием направлением МЛЭ и разработкой многослойных квантово-

размерных гетерокомпозиций в мире занимаются около сотни научных

коллективов. Зарубежными фирмами разработаны новые и

усовершенствованные образцы промышленных систем МЛЭ. В России,

после резкого кризиса середины 80-х - начала 90-х годов, постепенно

восстанавливается и развивается отечественная научно-технологическая база,

расширяются научные исследования. Признанием заслуг российских ученых

в области физики многослойных квантовых гетероструктур стало

присуждение Нобелевской премии директору ЛФТИ академику РАН

Алферову Ж.И.

Инициатива создания научно-технологического направления разработки

МЛЭ планарных многослойных гетероэпитаксиальных структур кремния,

фторида кальция и силицида кобальта принадлежит коллективу ученых ОАО

ЦНИТИ «Техномаш», работающих под руководством генерального

директора профессора Житковского В.Д. В настоящее время эти разработки

ведутся совместно с компанией «УралАлмазинвест». При этом условно

можно выделить два класса (направления) разработок и исследований:

разработка самих планарных многослойных гетероэпитаксиальных структур на основе кремния, фторида кальция и силицида;

создание новых микроэлектронных устройств на основе созданных гетероструктур.

В настоящее время основные усилия разработчиков направлены как на создание высококачественных и совершенных многослойных

эпитаксиальных гетероструктур, включающих кремний, силициды и фториды, так и на поиск, разработку и оптимизацию новых конструкций полупроводниковых микроэлектронных приборов, реализуемых на основе таких гетероструктур.

Исследованиям в области разработки конструктивно-технологических решений и физических основ МЛЭ эпитаксиальных гетероструктур, включающих кремний, а также эпитаксиальные фториды и силициды, посвящены работы Соколова Н.С., Пчелякова О.П., Жирнова В.В. Полученные ими результаты позволили сформировать научные основы применения метода МЛЭ для формирования гетероструктур на основе данных материалов, предложить новые подходы к методам исследования кинтетики процесса роста и фазообразования на отдельных стадиях процесса МЛЭ. Ими были рассмотрены влияние термодинамических и кристаллографических факторов на основные закономерности формирования слоев кремния и дифторида кальция при МЛЭ и ТФЭ, проведен анализ кинетики и взаимного влияния фаз процесса роста в условиях высокого вакуума на структуру и электрофизические параметры гетероструктур и эпитаксиальных силицидов кобальта и никеля. Однако, в упомянутых выше работах не были решены ряд важных научно-технических задач, имеющих прикладной характер, и связанные с созданием гетероструктур приборного качества, исследованием возможностей их применения для реализации новых устройств микроэлектроники, изучением влияния режимов процесса МЛЭ на электрофизические параметры устройств, а также исследованиям по созданию оптимальных низкотемпературных методов подготовки подложек для МЛЭ. Кроме того, применительно к задачам создания гетероструктур приборного качества и их практическому применению для реализации новых устройств микроэлектроники, включая МЛЭ структуры КНД с использованием флюорита в качестве межслойного диэлектрика, исследования почти не проводились и/или не носили системного характера.

12 Кроме этого, требуют дальнейшего развития теоретические положения по

оптимизации и согласованию оптических параметров разнородных структур

с учетом различных коэфициентов отражения-преломления и связанных с

ними потерь индуцированного излучения на границах раздела оптических

сред типа «флюорит-кремний-силицид», оказывающих существенное

влияние на характеристики и качество планарных интегральных детекторов

коротковолновых и ионизирующих излучений в целом. Сведения о таких

работах в литературе практически отсутствуют. Таким образом,

необходимость и актуальность исследований в области разработки и

исследования конструктивно-технологических методов формирования

методом МЛЭ многослойных эпитаксиальных гетероструктур, включаюищх

кремний, монокристаллический дифторид кальция и силицид кобальта,

очевидна.

Используемые сегодня конструктивно-технологические методы создания

многослойных гетероструктур, например, таких как КГЩ, не лишены ряда

трудноустранимых недостатков:

- не оптимальным и дорогим вариантом остаются методы и
гетероструктуры КНС («кремний-на-сапфире»), в т.ч по причинам
невозможности реализации многослойных типов ИС, а также ввиду
ограничений по использованию для других полупроводниковых композиций;

- SIMOX-технология и ее модификации для своей реализации требуют
сложного и дорогостоящего оборудования, высоких температур отжига
имплантационных дефектов, вызывают остаточные радиационные и
механические нарушения в слое кремния, а также неприменимы для
реализации многослойных типов ИС и других полупроводниковых
материалов. ,

Оптимальным вариантом для создания многослойных и квантово-размерных структур могло бы быть применение монокристаллических материалов с близкими к Si кристаллографическими параметрами, что обеспечивало бы формирование структурно-совершенного слоя Si и

отсутствие дефектов на границах раздела, а также обеспечило бы создание
if ряда новых устройств.

Целью диссертационной работы является научное обоснование конструктивно-технологических разработок многослойных квантово-размерных гетерокомпозиций приборного качества на основе кремния, дифторида кальция и силицида кобальта, формируемых из молекулярных пучков в условиях высокого вакуума и научное обоснование создания на основе разработанных гетероструктур новых перспективных приборов и приборных устройств микро-, нано- и оптоэлектроники,

Диссертационная работа направлена на:

разработку новых конструктивно-технологических методов

формирования сложных многослойных гетероструктурных композиций приборного качества, включающих монокристаллические слои Si, CaF2 и CoSi2;

повышение электрофизических параметров и качества многослойных
полупроводниковых гетероструктур за счет использования

кристаллографически оптимальных композиций, включающих Si, Саїїг и CoSi2 при их осаждении из молекулярных пучков в условиях высокого вакуума;

поиск возможностей создания новых и совершенствования известных
Ц« типов приборов полупроводниковой микроэлектроники за счет

использования качественно новых электрофизических свойств создаваемых гетероэпитаксиальных композиций;

повышение качества полупроводниковых приборов и их конструктивных
элементов за счет использования новых методов модификации и
оптимизации электрофизических параметров составных слоев исследуемых
4* гетероструктур;

Предметом исследования диссертационной работы являются:

конструктивно-технологические методы формирования многослойных гетероструктур, включающих Si, CaF2 и CoSi2, в условиях высокого вакуума

из молекулярных пучков,

методы модификации и оптимизации электрофизических параметров формируемых гетероструктур,

новые перспективные полупроводниковые приборы и устройства электронной техники на основе многослойных полупроводниковыъ гетероструктур,

Научная проблема диссертационного исследования формулируется следующим образом:

разработка конструктивно-технологических методов формирования многослойных гетероструктур, включающих Si, CaF2 и CoSi2, в условиях высокого вакуума из молекулярных пучков,

разработка и создание методов модификации и оптимизации электрофизических параметров формируемых гетероструктур,

создание новых перспективные полупроводниковые приборы и устройства электронной техники на основе. многослойных полупроводниковыъ гетероструктур,

Из проведенного в рамках работы анализа опубликованных научно-технических данных, представляется необходимым проведение исследований в нижеследующих направлениях, которые не изучены или которым не уделялось достаточного внимания:

систематизация методов подготовки поверхности подложек Si для МЛЭ и оценка их эффективности. Поиск и разработка новых технических решений в области низкотемпературных методов подготовки подложек на основе комплексного воздействия УФ-излучения, химического окисления и травления в потоке паров Si в вакууме. Разработка рекомендаций по использованию предлагаемых методов при подготовки поверхности подложек при МЛЭ;

поиск путей повышения параметров и кристаллографического качества многослойных полупроводниковых гетероструктур на основе Si, CaF2 и CoSi2 за счет использования наиболее кристаллографически

15 оптимальных композиций и использования оптимальных технологических

fy условий их выращивания методом МЛЭ;

поиск и разработка конструктивно-технологических решений выращивания новых многослойных гетероструктур типа Si/CaF2/Si, CaF2/CoSi2/Si и Si/CoSi2/Si методом МЛЭ на поверхности Si (100) и исследование влияния особенностей применяемых методов выращивания на электрофизические свойства создаваемых гетероструктур;

разработка научных основ модификации электрофизических параметров гетероструктур на основе CaF2 при воздействии на них низкоэнергетического электронного излучения в вакууме и разработка рекомендаций для практического применения этих способов для создания элементов конструкций и приборных устройств микроэлектроники;

поиск и разработка новых технических решений для создания КМОП транзисторов и КМОП ИС на основе гетероструктур КНД с использованием CaF2 в качестве межслойного диэлектрика;

поиск и разработка новых технических решений для создания новых
типов комбинированных детекторов ионизирующих излучений на основе
гетероструктур CaF2/CoSi2/Si за счет использования гетероэпитаксиальных
фотоприемников с барьером Шоттки, образованных силицидом кобальта, и
использования сцинтиляционных свойств CaF2;
4ps - разработка расчетно-экспериментальных методов определения

количественного состава эпитаксиальных гетероструктур на основе кремния при анализе экспериментальных результатов методом ОЭС - на основе известных теоретических положений и метода внутренних эталонов;

поиск и разработка новых технических решений управления высотой
барьера Шоттки в гетероструктурах типа «кремний-силицид» и выработка
4^ соответствующих экспериментально-расчетных критериев;

поиск и разработка новых технических решений для создания новых приборных полупроводниковых устройств: баллистических транзисторов с металлической и проницаемой базой; на основе квантово-размерных

гетероструктур типа Si/CoSi2/Si;

Предполагаемые в работе методы исследования и анализа

эпитаксиальных гетероструктур и приборных устройств на их основе должны характеризоваться возможностями обнаружения in situ отдельных монослоев исследуемых компонентов: толщиной в нескольких атомов с пространственным разрешением в десятки нанометров в условиях МЛЭ при сверхвысоком вакууме примерно 10"1 Торр. Исходя из этого, цели и задачи работы требуют использования современных методов и техники физического эксперимента, таких как:

электронно-зондовых методов анализа в глубоком вакууме, включая Оже-электронную спектроскопию, вторично-ионную масс-спектроскопию, дифракцию быстрых электронов;

высокоразрешающей растровой электронной и оптической микроскопии;

методов компьютеризированной профилометрии микрорельефа поверхности;

высокочувствительной оптической спектроскопии и оптической фотометрии, включая Фурье-спектрометрию УФ-, видимого, и РЖ-диапазонов;

микрозондовых методов анализа электрофизических параметров, включая
холловские, Ван-дер-Пау, вольт-фарадные и вольт-амперные методы;
<* компьютеризированным сбором данных, их математической обработкой,

компьютеризированным моделированием и анализом полученных экспериментальных результатов.

В первой главе приведен краткий обзор возможностей и состояния
технологии МЛЭ; проанализированы перспективные направления и
возможности применения для создания новых типов микроэлектронных
Ь приборов на основе многослойных гетероструктур, объединяющих в своем

составе полупроводник (Si), монокристаллический диэлектрик, в качестве которого выбран CaF2, а также монокристаллический проводник, в качестве которого выбран силицид кобальта (СоБіг). и Приведен анализ методов

17 исследования электрофизических свойств формируемых гетероструктур, в

т.ч. - кристаллографических параметров, а также результатов применения

МЛЭ для создания слоев CaF2 на кремнии и кремнии на подложках CaF2.

Обосновывается использование CaF2 для формирования многослойных

гетероструктур; указано, что для создания высококачественных

гетероструктур особое внимание необходимо уделить сходству типов

кристаллических решеток используемых материалов, значениям их

постоянных и параметрам ТКЛР в диапазоне температур роста.

Рассмотрены критерии практической реализации методом МЛЭ

высококачественных гетероструктур на основе Si, к числу важнейших из

которых относятся очистка поверхности подложки Si от следов остаточных

загрязнений, в первую очередь - от углерода и его соединений, в сочетании с

оптимальными режимами роста слоев. Показано, что при выполнении

данных условий становится возможным формирование монокристаллических

гетероструктур в виде базовых комбинаций типа CaF2/Si; Si/CaF2; CoSi2/Si;

Si/CaF2/Si; CaF2/CoSi2/Si, которые могут быть основой для разработки ряда

новых приборов микро- и опто-электроники, включая КНД МДП-

транзисторы со структурой типа Si/CaF2/Si и 3-х мерных ИС, где CaF2

использован как межслоЁгный диэлектрик; а также для новых типов МДП-

транзисторов, где CaF2 может быть использован как подзатворный

диэлектрик. Показано, что использование КНД-структур типа Si/CaF2/Si в

сочетании с конструктивно-технологическими особенностями КМОП

технологии и наличием обедненного приборного слоя Si обеспечивает

возможность реализации новой конструкции и новой технологического

маршрута КМОП ИС, позволяющих реализовать, помимо известных

преимуществ КНД-структур, упрощение технологии при одновременной

оптимизации технико-экономических параметров ИС. Рассмотрены

возможности создания на основе гетероструктур типа «силицид-СаР2-5і»

новых устройств микроэлектроники: комбинированных рентгеновских и УФ-

детекторов, а также фотоприемных интегральных структур с барьером

18 Шоттки. В таких устройствах гетероструктура «силицид-СаРг-Si» может

использоваться как эпитаксиальная монолитная комбинированная пара
«сцинтил^ тор-фотоприемник», где преобразователем ионизирующего
излучения является особочистый или активированный CaF2. Показано, что
эффекты радиационно-стимулированной модификации слоев CaF2
обеспечивают возможность создания и оптимизации микроэлектронных
устройств: рентгеновских и УФ-детекторов с оптически согласованными
покрытиями; планарных интегральных фотоприемников;

высокоразрешающего электронного резиста на основе CaF2 для субмикронной литографии. Кроме того, эффекты радиационно-стимулированной модификации CaF2 обеспечсивают возможность создания оптических запоминающих устройств на основе электронно-модифицированных структур CaF2/Si.

Показано, что при решении ряда конструктивно-технологических проблем, квантово-размерные эпитаксиальные гетероструктуры типа «Si/CoSi2/Si» могут быть использованы для разработки транзисторов с баллистическим переносом носителей, включая ТМБ и ТПБ. В заключение главы, на основании проведенного анализа, поставлены задачи научного исследования конструктивно-технологических методов формирования базовых монокристаллических структур типа CaF2/Si; Si/CaF2; CoSi2/Si; Si/CaF2/Si; CaF2/CoSi2/Si.

Во второй главе рассматриваются экспериментальное оборудование и аппаратура МЛЭ для выращивания многослойных гетероструктур CaF2/Si; Si/CaF2; CoSi2/Si; Si/CaF2/Si; CaF2/CoSi2/Si и микрозондовые методы анализа их состава и кристаллической структуры на всех стадиях роста. Делается вывод о том, что для проведения исследований создаваемых гетероструктур имеется достаточный набор аппаратуры и средств структурного, элементного и электрофизического анализа, включая различные электронно-зондовые методы: ОЭС, ВИМС, ДБЭ. Приводятся направления и основные результаты работ по получению и компьютеризированной обработке данных анализа

состава и гетероструктур. Формирование многослойных гетероструктур

предъявляет жесткие требования к технологическому оборудованию, а также к подготовке атомно-чистой поверхности подложки. Важно обеспечить особо чистые условия осаждения, точный контроль толщины растущей плёнки, анализ структуры и состава образующегося конденсата. Критерием достаточной чистоты в большинстве случаев может служить отсутствие характерных энергетических пиков, соответствующих углеродным и окисным загрязнениям в Оже-спектрах от поверхности подложки (переход LVV, 76 эВ). Экспериментально показано, что травление кремния в вакууме (10"8 Торр) ионами аргона (10~7 - 10"5 Торр) с энергиями 300-600 эВ с последующей реконструкцией поверхности Si при 800С позволяет удовлетворительно подготовить подложку для МЛЭ. Однако, воздействие энергетичных ионов потенциально может отрицательно сказаться на качестве кристаллографического и электрофизического совершенства формируемых слоев, в связи с чем была разработана более эффективная технология очистки поверхности Si, включающая комбинированную двухстадийную химобработку в аммиачном и буферном травителе, удаление Si02 в 2,5% растворе HF и финишная УФ-обработка (2 мин.) в специальном реакторе для формирования тонкого защитного окисла (15 А). Затем защитный слой Si02 удалялся в вакууме (10"10 Торр} в слабом потоке пара Si при температурах 800-900С. Установлено что, УФ-облучение кремниевых подложек в присутствии озона является эффективным средством очистки поверхности кремния от углеросодержащих соединений, а также является эффективным средством пассивации его поверхности. Подготовка и очистка поверхности CaF2 включает операции химической обработки и термический отжиг в вакууме при 700-950С, время отжига 20-60 мин.

Показана возможность создания перспективного технологического оборудования замкнутого вакуумного цикла полупроводникового микроэлектронного производства на основе систем МЛЭ.

Для количественных оценок состава формируемых гетероструктур был

20 разработан вариант метода ОЭС с использованием коэффициентов

элементной чувствительности, основанный на сигнале перехода LVV, 92 эВ

кремния, как внутреннем эталоне при исследованиях химического состава

кремний-содержащих композиций.

Третья глава посвящена исследованиям по созданию методами МЛЭ и ТФЭ перспективных приборных композиций на основе Si, CaF2n CoSi2: CoSi2 /Si (100); CaF2/(100)Si; Si/CaF2 (100); CoSi2 /CaF2 (100); Si/CaF2/Si; Si/CoSi2/Si; Si/CoSi2/CaF2

Исследованы и определены режимы формирования методами МЛЭ и ТФЭ гетероструктур CoSi2/Si (100), причем экспериментально установлено, что в интервале температур роста 540-660С (для МЛЭ), и в интервале температур 600-700С (для ТФЭ), выращенные пленки имели высокое кристаллическое совершенство. Были получены структуры CoSi2/Si (100), причем при повышении температуры осаждения происходил структурный переход (100)CoSi2(2xn) -» (100)CoSi2 (1x1). На основании экспериментально полученных данных методом ВИМС и анализа слоевого сопротивления выращенных слоев, предложена оценка коэффициента покрытия (0) подложки пленкой CoSi2 и получено выражение, связывающее коэффициента покрытия с интенсивностями Оже-сигналов Si2 и Со. Установлены режимы роста плёнок CoSi2/Si, при которых происходит островковый трёхмерный рост, что даёт возможность формирования микроотверстий на поверхности плёнок CoSi2 с размерами порядка сотен А регулировкой режимов роста.

Экспериментально установлены режимы формирования гетероструктур CaF2/Si(100) методом МЛЭ с использованием тонкого буферного слоя (50-100)А слоя кремния, осажденного при комнатной температуре. Получены гетероструктуры CaF2/Si с напряжением пробоя в среднем 106 В/см по ВФХ и є=6,4. Исследованы и экспериментально определены режимы создания гетероструктур CoSi2 на поверхности (100)CaF2 методами ТФЭ и МЛЭ, причем для создания слоев CoSi2/CaF2 (100) использовался буферный слой

21 аморфного Si с последующей формированием МЛЭ монокремния при 500-

550С. Температура подложки составляла 770С при скорости роста ~1

А/сек. После осаждения слоя кобальта (~250 А), температура подложки

повышалась до 550-650 С и в результате ТФЭ происходило формирование

монокристаллического слоя CoSi2. Установлено, что ТФЭ CoSi2 на CaF2

происходит при 600-650С; критерием упорядоченного роста слоев является

реконструкция поверхности подложки при МЛЭ и ТФЭ.

Исследованы и экспериментально определены режимы создания гетероструктур Si/CaF2/Si. Был разработан и осуществлен процесс ТФЭ аморфных слоев Si/CaF2/Si (100), полученных при комнатной температуре подложки, а также ТФЭ многослойной структуры Si/CaF2/Si/CaF2/Si (100) при толщине каждого слоя в десятки нм. Определены кристаллографическая структура и электрофизические свойства полученных слоев и структур. Обнаружено, что процесс ТФЭ в этом случае проходит с образованием промежуточной фазы.

Исследованы и экспериментально определены режимы создания гетероструктур, включающих слои Si и CaF2: CaF2/Si(100) и Si/CaF2. Были выращены структуры CaF2/Si(100) и Si/CaF2/Si (100). Установлено, что разработанная технология позволяет выращивать структуры Si/CaF2/Si (100) с высокой степенью кристаллического совершенства слоя Si, что является важным шагом для их практического применения в приборных структурах КНД. Был разработан процесс ТФЭ аморфных слоев Si/CaF2/Si (100) при комнатной температуре подложкию Исследованы и экспериментально определены режимы создания гетероструктур Si/CoSi2/Si (100), являющихся основой для разработки баллистических транзисторов с металлической и проницаемой базой. Исследованы и экспериментально определены режимы создания гетероструктур Si/CoSi2/CaF2.

В четвертой главе приводятся результаты исследований по управляемой модификации электрофизических параметров формируемых гетероструктур на основе Si, CaF2 и CoSi2 с целью обеспечения дополнительных

22 технологических возможностей при создании ряда новых и перспективных

изделий микро- и опто- электроники и оптимизации их параметров.

Расчетно-экспериментальными методами показано, что воздействие

электронного облучения на CaF2, эпитаксиально выращенного на Si,

приводит к электронно-стимулированной десорбции фтора с поверхности

флюорита, с формированием в CaF2 водорастворимого слоя, обогащенного

кальцием. Это позволяет\егко удалять облученные участки CaF2/Si путем

промывки их в воде, и таким образом формируя микроструктуру с высоким

геометрическим разрешением. Полученные данные свидетельствуют, о том,

что при обработке электронным лучом поверхности CaF2, фтор в

приповерхностной области удаляется. Удаление («проявление») участков

поверхности проводилось посредством выдержки эпитаксиальной структуры

в деионизованной воде. Экспериментально показано, что эпитаксиальные

слои CaF2/Si могут использоваться в качестве высокоразрешающего

электронного резиста для субмикронной литографии. Установлено, что

критическая плотность тока по данным ОЭС для реализации проявления

CaF2/Si составляет (1-3)-10 А/м при энергии пучка 10 кВ. На основании

расчетно-экспериментальных данных получены зависимости n=f(D)

коэффициента преломления n CaF2oT дозы электронного облучения D и

сделаны выводы относительно зависимости глубины проникновения

электронов в CaF2 от энергии d=f(E) при воздействии электронного

облучения на слои CaF2/Si. Установлено, что при облучении поверхности

CaF2 электронами низких энергий (3-10 кэВ), его коэффициент преломления

изменяется в зависимости от дозы облучения электронами в соответствии с

эмпирическим соотношением. Изменение отражательной способности

пленок CaF2/Si от дозы электронного облучения позволяет согласовывать

оптические параметры разнородных материалов за счет контролируемого

изменения коэффициента отражения и преломления CaF2 на границе раздела

оптических сред в многослойных планарных оптоэлектронных структурах.

Данный эффект был практически использован для создания и оптимизации

23 параметров разработанных новых приборов: интегральных монолитных

гетероэпитаксиальных комбинированных детекторов с внутренним

отражающим слоем.

На основании анализа экспериментальных данных установлены режимы при которых происходит островковый трёхмерный рост плёнок CoS'i2, а именно: использование режима ступенчатого отжига структуры CoSi2/Si в диапазоне 600-700С, обеспечивающий формирование структуры с повышенной плотностью микропроколов и упорядоченных микроотверстий с размерами порядка сотен А в пленке силицида. Применение структуры с повышенной плотностью микропроколов в пленке силицида обеспечивает практическую возможность формирования базового слоя транзистора с проницаемой базой на основе структуры Si/CoSi2/Si не методами литографии, а регулировкой режимов роста.

В пятой главе приводятся результаты исследований практического применения гетероэпитаксиальных композиций на основе Si, CaFa и СоБіг для создания перспективных изделий и приборных структур микро- и опго-электроники. Эпитаксиальные слои CaF2 использованы в качестве межслойного диэлектрика для формирования транзисторных КНД-структур Si/CaF2/Si. Структуры формировались путем выращивания CaF2 на исходной 8і(100)-подложке с с последующим наращиванием эпитаксиального Si на поверхность CaF2/Si (100). На созданных пленках Si/CaF2/Si были изготовлены транзисторные МДП-структуры. Подвижность электронов в приповерхностном слое кремния составила в среднем от 450 до 600 см2/В'с. Измерения и расчеты показывают, что быстродействие данной структуры при комнатной температуре может составлять 1,5-2 ГГц при напряжении питания 3,0 В. Толщина слоя CaF2/Si составляла от 100 до 500 нм, толщина верхнего слоя Si составляла от 50 до 300 нм.

Разработана оригинальная технология и конструкция новых типов КНД КМОП транзисторов и КНД КМОП ИС со сверхтонкими слоями (менее 50-100 нм) подзатворного диэлектрика и тонкого Si-слоя, работающего в

24 режиме полного обеднения. Конструкция обеспечивает возможность

у упрощения технологического маршрута для КМОП ИС при одновременном

повышении технико- экономических параметров. Разработан маршрут КНД

МДП структур на основе Si/CaF2/Si с затвором на основе CoSi2 и

подзатворным диэлектриком на основе тонкого слоя (5-8 нм) CaF2, что

является одной из первых попыток создания трехмерных

гетероэпитаксиальных КНД ИС.

Разработана оригинальная технология и конструкция нового класса
приборов: интегральных монолитных гетероэпитаксиальных

комбинированных детекторов ионизирующих излучений (ДИИ) на основе структур CaF2/CoSi2/Si. Разработана конструкция двумерной матрицы детекторов ионизирующих излучений на основе структур CaF2/CoSi2/Si. Разработана оригинальная технология и конструкция детектора ИИ с антиотражающим внутренним слоем CaF2. Изготовлены гетероструктуры типа Si/CoSi2/Si для создания первых отечественных образцов баллистических транзисторов с проницаемой и металлической базой.

Предложен способ изготовления транзистора с проницаемой базой, с регулировкой режимов роста отверстий в базе естественные субмикронные-отверстия в пленке CoSi2.

На защиту выносятся:
й> Конструктивно-технологические решения в области подготовки

поверхности кремниевых подложек для МЛЭ на основе комплекса низкотемпературных методов, включающих УФ-излучение, химическое окисление и травление в потоке паров кремния в вакууме;

Конструктивно-технологические решения в области формирования
методом МЛЭ субмикронных многослойных гетероструктур приборного
і' качества типа Si/CaF2/Si, CaF2/CoSi2/Si и Si/CoSi2/Si на поверхности Si (100);

Созданные и защищенные авторским свидетельством новые способ изготовления и новая конструкция КМОП ИС на основе гетероструктур типа КНД с использованием CaF2 в качестве межслойного диэлектрика,

25 позволяющие существенно снизить трудоемкость изготовления КМОП ИС

при одновременном улучшении их технико-экономических параметров;

Созданные и защищенные авторским свидетельством новые способ изготовления и новая конструкция планарного интегрального комбинированного сцинтилляционного детектора ионизирующих излучений, на основе гетероструктур типа CaF2/CoSi2/Si, позволяющие существенно повысить эффективность, пространственное разрешение и чувствительность при регистрации излучений, снизить габариты и вес изделий;

Результаты экспериментальных исследований процессов эпитаксиального выращивания из молекулярных пучков в глубоком вакууме на поверхности Si(100) многослойных гетероструктур Si/CaF2/Si; CaF2/CoSi2/Si и Si/CoSi2/Si, -как основы создания новых приборных устройств и изделий микро-, нано- и оптоэлектроники;

Разработанные теоретические положения: математическая модель оптимизации и расчетно-экспериментальный метод контролируемого изменения коэффициента преломления и отражения тонких пленок CaF2/Si как функция энергии и дозы электронного облучения, разработанные по результатам машинного эксперимента и аппроксимирующие экспериментальные зависимости;

Расчетно-экспериментальный метод формирования высокоразрешающих микроструктур в слоях CaF2/Si под воздействием электронного облучения для создания перспективных устройств микро- и оптоэлектроники;

Концепция создания микроэлектронных устройств в едином вакуумном цикле на основе многослойных гетероструктур Si, CaF2 и CoSi2;

Подобные работы
Прокошев, Илья Владимирович
Разработка и исследование информационной системы автоматизированного диагностирования ИНС в процессе стендовых испытаний
Лепе Сергей Николаевич
Разработка и исследование метода калибровки избыточных измерителей ускорения с целью повышения точности БИНС
Бобцова Светлана Владимировна
Исследование и разработка методов использования технологий быстрого прототипирования в приборостроении
Магдиев Ринат Рауфович
Исследование и разработка методики проектирования автоматизированной сборки электронных узлов в приборостроении
Микаева Светлана Анатольевна
Разработка и исследование технологии производства компактных люминесцентных ламп информационно-измерительных приборов и систем
Вощенко Татьяна Карповна
Исследование и разработка методов модификации поверхности оптических материалов ионной и ионно-химической обработкой
Сисюков Артем Николаевич
Разработка и исследование методов информационного обеспечения ЭС САПР ТП механической обработки деталей
Кизнерцев Станислав Рафаилович
Разработка и исследование технологического и аппаратурного обеспечения сканирующего туннельного микроскопа для изучения кластерных материалов
Котляров Юрий Владимирович
Исследование и разработка технологии обработки подложек для приборных пластин связанным алмазно-абразивным инструментом
Костенко Кирилл Николаевич
Исследование и разработка конструкции и технологии изготовления интегрально-оптических демультиплексоров для информационно-измерительных приборов и систем

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net