Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Работа относится к проблеме ізучения материалов и структур, перспективных для микроэлектроники :ледующих поколений, с качественно более высоким быстродействием. їо сих пор быстродействие повышалось совершенствованием методов нитографии, и в основной на сегодняшний день кремниевой технологии тэт подход далеко еще не исчерпан. Однако, конечная подвижность їосителей тока налагаэт на быстродействие принципиальное эграничение. У полупроводников группы АзВ и высокотемпературных :верхпроводников (ВТСП) 123-типа подвижность носителей на один-два юрядка выше, чем у кремния. Вот почему исследования зт.іх іатериалов, их оксидов и составленных из них структур являются іктуальннми. При этом особенный интерес представляют структуры, сарактеризусмые нанотолщинами, которые не только повышают шстродействие, но и позволяют придавать структурам связанные с {вантованием новые свойства.
Серьезным препятствием,- затрудняющим использование новых ттериалоз, является проблема получения технологически ювместимых и термодинамически стабильных диэлектрических слоев с зысоким удельным сопротивлением, которые позволяли бы формировать эезкую гетерограницу с низкой плотностью поверхностных состояний. У фемния таким диэлектриком является его собственный оксид (СО) Si02. Цля новых материалов задача получения диэлектрического слоя из юбственных оксидов с указанными свойствами к началу нашего ісследования. не была решена. В значительной мере это обусловлено гуществовагтием большого количества сложных оксидных фаз новых «атериалов и трудностями их надежного контроля в нанометровых іленках.'
Из соединений AsB.s наиболее перспективным представляется 1пР, 'ак как часть его собственных оксидов обладает достаточно высоким сдельным сопротивлением. Это обстоятельство, а также на порядок іолее высокая подвижность носителей выгодно отличают ІпР от іаиболее исследованного GaAs. С использованием ІпР и его оксидов :вязывают, например, создание полевых транзисторов с изолированным (атвором и быстродействием в $емт:осекундном диапазоне. Однако, к іачалу данных исследований задача получения структуры InP-CO
удовлетворительного качества не была решена. Одним из главных препятствий были недостаточная точность и надежность контроля многочисленных оксидных фаз в тонком слое С0-1пР.
Среди широкого круга различных типов высокотемпературных сверхпроводников серьезными кандидатами для быстродействующей электроники в настоящее время являются только ВТСП 123-типа, такие как Y(Dy)1Ba2Ca307-s. Другие ВТСП пока что синтезируются с примесями
побочных фаз. Проблемы, стоящие на пути создания элементной базы микроэлектроники на основе ВТСП, связаны прежде всего с трудностями интеграции сверхпроводниковых и диэлектрических материалов и лолучением на их основе кристаллически согласованных и химически устойчивых слоистых структур с резкими границами раздела. Для решения этих проблем перспективна технология молекулярно -пучковой эпитаксии (МПЭ), способная, в принципе, формировать еубнанометровые границы раздела быстрым переключением источников металлов с выращивания ВТСП на создание диэлектрических слоев и обратно. Однако, получению таких границ препятствуют диффузионные процессы, активные при температурах Т >..650С, характерных для всех технологий получения ВТСП. Решение проблемы диффузионного размытия следует искать на пути создания низкотемпературных технологий получения ВТСП и диэлектрических пленок без послерсотового отжига, изучения механизмов взаимной диффузии, а. также процессов, происходящих в создаваемых, объектах под действием ускоренных частиц, имеющихся во всех вакуумных технологиях получения ВТСП.
Наконец, проблема создания наноразмерных быстродействующих приборных структур на основе . новых: материалов требует такого диагностического обеспечения, которое позволяет оперативно определять элементный и химический состав нанометровых слоев на любой глубине контролируемой структуры. Наиболее эффективным методом решения таких задач : является метод рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии . (РФЭС) . в сочетании с послойным ионным травлением. Однако, к.началу нашего;исследования точность и надежность этого метода были недостаточными для решения задачи анализа химического состава многофазных и многоэлементных материалов. При этом основной источник ошибок метода - погрешности литературных данных об энергиях связи электронов остовных уровней -
-5"
Не может быть в достаточной мере устранен в специальных экспериментах с эталонными образцами. Большую неопределенность вносят и погрешности существующих методов учета статической зарядки, которая возникает при использовании метода на поверхности диэлектрических объектов. Таким образом, разработка безэталонной методики анализа химического состава многокомпонентных соединений и усовершенствование способа определения статической зарядки диэлектрических образцов также представляются актуальными.
Цель работы. Развить рентгенофотоэлектронную методику безэталонного количественного анализа химического состава нанометровых пленок многокомпонентных оксидных материалов. С ее помощью исследовать окислительные процессы и оптимизировать параметры технологии плазменного окисления InP и низкотемпературной МПЭ-технологии получения ВТСП DyiBa2Cu307_6. Изучить диффузионные процессы
формирования границ раздела ВТСП и. диэлектриков, а также химические процессы в сверхпроводниках, стимулированные действием ионных пучков.
Научная новизна работы.
Разработанная ренттенофотоэлектронная методика безэталонного количественного анализа химического состава нанометровых пленок многокомпонентных кислородосодержащих соединений является новой по большинству существенных признаков.
Впервые измерены профили элементного состава границ раздела ВТСП и н
Обнаружен эффект ионно-стимулированного перехода кислорода ВТСП от меди к барию. Показано, что вопреки существовавшим представлениям, кислород Си-0 - плоскостей не. покидает ВТСП под действием потоков атомных частиц, а переходит в соседние Ва-0 -плоскости.
Обнаружен эффект сегрегации металлического диспрозия на поверхности ВТСП Dy^gC^C^ под действием потоков атомных частиц.
Научная и практическая значимость работы
Метод рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии для химического анализа получил очень широкое распространение. Поэтому представляется весьма значимым предложенное в работе развитие этого метода в виде упомянутой выше методики' безэталонного количественного анализа химического состава многокомпонентных соединений. Значение методики для исследований сложных соединений определяется не столько увеличением точности, сколько невозможностью решения задачи в рамках традиционного подхода.
Результаты исследования окислительных процессов с помощью разработанной методики позволили определить технологические параметры, при которых были получены рекордно низкие плотность поверхностных состояний и величина вольт-фарадного гистерезиса границы раздела "InP/CO", которые необходимы для высокого быстродействия Были установлены параметры окислительных процессов, позволившие разработать уникальную низкотемпературную (Т- 400 - 420"С) технологию получения ВТСП 0уіВа2Си307_й без после-ростового отжига.
Обнаруженный ионно'-стимулированный механизм диффузионного формирования интерфейса имеет важнее значение для решения проблемы создания резких гетерограниц. При помощи предложенной в работе компьютерной модзли показано, что этот механизм может увеличивать протяженность границ при низких температурах более, чем на порядок, однако понижение энергии бомбардирующих частиц и плотности их потока могут существенно понизить его эффективность.
Обнаруженный эффект медь-бариевого кислородного перехода играет важную роль в пучковых технологиях получения ВТСП, поскольку он изменяет химическое состояние атомов вблизи ростовой поверхности. Образующаяся при этом перекись бария является важным источником дополнительного атоучрного кислорода, который может исключить необходимость многочасового послеростового отжига ВТСП и уменьшить протяженность интерфейсов.
Обнаруженный эффект ионно - стимулированной сегрегации диспрозия на поверхности ЬГСП DyiBagCusOy-s открывает путь создания
приборных наноструктур "сверхпроводник/диэлектрик/металл" с рекордно резкими гетерограницами.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Разработка рентгенофотоэлектронной методики безэталонного
количественного анализа химического состава нанометровых пленок
многокомпонентных оксидов.
2. Контроль окислительных процессов при формировании
структуры ЧпР/собственйый оксид" с рекордно низкой плотностью
поверхностных состояний и при создании уникальной
низкотемпературной МПЭ технологии получения пленок ВТСП
DyxBagCusOv.j.
3. Обнаружение ионно-стимулированных эффектов медь - бариевого
перехода кислорода в объеме и сегрегации диспрозия на поверхности
ВТСП ПухВагСазОу-й-
- 4. Обнаружение механизма диффузионного формирования интерфейса "ВТСП/диэлектрик", индуцированного воздействием на поверхность атомных частиц.
Апробация работы и публикации.
Основные результаты исследований докладывались на III Всесоюзном совещании по ВТСП (1991), XIV Европейской конференции по физике поверхности (ECOSS - 14, 1994), Международной конференции "Микроэлектроника-94" (1994), Международном совещании по исследованию материалов (MRS, 1995). Работа велась в рамках программы Министерства науки "Актуальные направления в физике конденсированных сред", направление "Сверхпроводимость", проекты №90378, 93066 ("Барьер - 1, 2") и программы "Физика твердотельных наноструктур", проект N 93-3-002 ("Кластер").
Основные результаты исследований, вошедших в диссертацию, опубликованы в 8 работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Работа содержит 131 страницу, в том числе 96 страниц машинописного текста, 21 рисунок, 5 таплиц и список литературы, включающий 103 наименавания.
Похожие диссертации на Исследование нанометровых пленок собственных оксидов полупроволдника InP и ВТСП Dy1Ba2Cu3O7-5 методом фотоэлектронной спектроскопии
