Введение к работе
з
Актуальность темы. Тонкопленочные системы на основе ниобия, формируемые на монокристаллическом кремнии, являются перспективными материалами для создания контактов к активным областям силовых полупроводниковых приборов. Высокая дефектность тонких пленок, значительная скорость диффузии, обеспечивают эффективный массоперенос компонентов при низких температурах отжига. При этом дефекты не только ускоряют взаимодиффузию, но и повышают скорость химического взаимодействия, что приводит к образованию фаз при температурах, не соответствующих равновесным диаграммам состояния. Эти обстоятельства обуславливают существенные различия в механизмах твердофазного взаимодействия и дефектообразования в тонкопленочных системах и в массивных образцах.
На дефектообразование в системе ниобий-кремний возможно влияние процесса нанесения второго, более тяжелого металла, например, легкоплавкого индия или олова. Для формирования двухслойных пленочных гетероструктур с заданными свойствами необходимо установить связь их структуры с условиями синтеза: изучить фазовые превращения, изменения кристаллической структуры и поверхностной морфологии пленок, происходящие при их нанесении и последующем отжиге в вакууме и в потоке кислорода. В исследуемых гетероструктурах возможно формирование ин-терметаллидов и силицидов, а также оксидов сложного состава. Эти соединения влияют на качество полупроводниковых и микроэлектронных приборов, поэтому тема работы является актуальной и с практической точки зрения.
Выявление закономерностей во взаимодействии ниобия, олова, индия и кремния при синтезе гетероструктур позволяет не только получать пленки с заданными свойствами, но и способствует развитию представлений о механизме гетерофазных взаимодействий в этих системах, а также решает одну из важнейших задач химии твердого тела - установление зависимости между условиями синтеза, структурой и свойствами тонких пленок.
Цель работы: установление зависимости между условиями синтеза, структурой и свойствами тонких пленок на основе ниобия, олова и индия, формируемых на монокристаллическом кремнии.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:
синтез двухслойных металлических систем олово-ниобий, индий-ниобий на монокристаллическом кремнии методами магнетронного распыления с последующим отжигом в вакууме;
определение фазового состава синтезированных систем методом рентгеновской дифракции;
установление структурно - морфологической организации пленок методом атомно-силовой микроскопии;
определение перераспределения компонентов на межфазных границах металл-металл и металл-кремний методом резерфордовского обратного рассеивания,
изучение электрофизических свойств синтезированных пленочных систем;
получение пленок сложных оксидов на основе двухслойных металлических систем и исследование их оптических свойств (спектров пропускания и поглощения).
Научная новизна:
Синтезированы двухслойные тонкопленочные системы легкоплавкий -тугоплавкий металл (олово - ниобий, индий - ниобий) на монокристаллическом кремнии.
Установлено низкотемпературное (при температуре 770 К) образование силицида ниобия в тонкопленочной системе олово - ниобий - кремний по сравнению с равновесной фазовой диаграммой ниобий - кремний (~ 1900 К).
Синтезированы оксидные пленки в системе олово - оксид ниобия, обладающие высокой прозрачностью.
Комплексным исследованием с помощью методов: резерфордовского обратного рассеяния, рентгенофазового анализа, растровой электронной микроскопии, атомно-силовой микроскопии, получены экспериментальные данные о характере фазообразования и микроструктуры, распределения компонентов по глубине, о протяженности переходных по концентрации областей в пленочных системах: ниобий, олово - ниобий, индий - ниобий на монокристаллическом кремнии.
Разработана численная математическая модель взаимной диффузии в системах ниобий - кремний, олово - ниобий - кремний, согласующаяся с экспериментом.
Практическое значение. Определяется важностью проблемы создания контактов к полупроводниковым приборам. Полученные результаты могут быть использованы для выбора оптимальных режимов формирования омических и выпрямляющих контактов. Оксидные пленки, обладающие высокой прозрачностью, могут быть использованы в качестве просветляющих и прозрачных покрытий в оптоэлектронике.
Достоверность результатов подтверждается применением в работе современных методов исследования, многократным повторением экспериментов и высокой степенью воспроизводимости результатов.
На защиту выносятся следующие положения:
Магнетронное распыление легкоплавких металлов (индий, олово) на плёнку ниобия стимулирует гетерофазное взаимодействие компонентов, приводящее к образованию интерметаллических соединений;
Гетерофазная диффузия компонентов в процессе синтеза пленок олово-ниобий, индий-ниобий на монокристаллическом кремнии, сопровождается химическим взаимодействием с образованием силицидных фаз при температуре 770 К, что существенно ниже, чем в равновесных условиях взаимодействия в массивных образцах ниобий-кремний (~ 1900
К);
Методика синтеза оксидных пленок, основанная на модифицировании оксида ниобия оловом путем диффузии его в процессе вакуумного отжига и термического оксидирования, позволяющая получать оксид, обладающий высокой прозрачностью;
Результаты комплексного исследования перераспределения компонентов, структурно - морфологических изменений поверхности и твердофазных взаимодействий в пленочных системах ниобий - кремний, олово - ниобий - кремний, индий - ниобий - кремний методами: резерфор-довского обратного рассеяния, рентгенофазового анализа, растровой электронной микроскопии, атомно-силовой микроскопии.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XXXVIII международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 2008), XI международной конференции «Физика диэлектриков» (Санкт-Петербург, 2008), VI международной конференции «Аморфные и микрокристаллические полупроводники» (Санкт-Петербург, 2008), IV Всероссийской конференции «Физико - химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах ФАГРАН-2008» (Воронеж, 2008), VI Международной конференции и V школе молодых ученых и специалистов по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе (Новосибирск, 2009), XI международной научной конференции химия твердого тела: монокристаллы, наноматериалы, нанотехнологии (Кисловодск, 2009), VII всероссийской школе - конференции «Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении (индустрия наноси-стем и материалы)» (Воронеж, 2009).
Публикации. Основное содержание работы изложено в 11 публикациях, в том числе работы №№ 1-3 опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации содержания диссертации.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, включающего 160 наименований.
Работа изложена на 132 страницах основного текста, иллюстрирована 65 рисунками и содержит 8 таблиц.
