Исследование пористых многофункциональных пленок диоксида кремния, модифицированного углеродом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.04, кандидат технических наук Усов, Сергей Петрович

• Усов, Сергей Петрович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Усов, Сергей Петрович

Введение.

1. Электрические и оптические свойства пористых пленок.

1.1. Структура и технология получения пористых пленок.

1.2. Электрические свойства пористых пленок.

1.3. Оптические свойства пористых пленок.

1.4. Газопоглощение в пористых пленках.

2. Методика подготовки образцов и техника эксперимета.

2.1. Структура образцов.

2.2. Нанесение пористых пленок двуокиси кремния.

2.3. Измерительные установки.

3. Свойства пористых слоев диоксида кремния.

3.1 Структура и состав пленок 8Ю2+С.

3.2. Зависимость ширины оптической щели пленки от процентного содержания графита в составе мишени кремний-графит.

3.3. Зависимость пористости пленки от процентного содержания графита в составе мишени кремний-графит.

3.4. Электрическая прочность.

3.5. Выводы по главе.

4. Возможные области применения пористых слоев 8Юг+С.

4.1. Чувствительный элемент сенсора паров углеводородов.

4.2. Элемент энергонезависимой памяти.

4.3. Ненакаливаемый источник электронов.

4.4. Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование пористых многофункциональных пленок диоксида кремния, модифицированного углеродом»

В настоящее время в связи с тенденцией к микроминиатюризации в электронике возрастает потребность в разработке и создании принципиально новых приборов, обладающих высокой эффективностью, долговечностью и надежностью в условиях значительного уменьшения размеров. К широкому классу таких приборов относятся тонкопленочные структуры металл-диэлектрик-металл (МДМ), которые могут использоваться как ненакаливаемые источники электронов, элементы памяти, датчики давления, газоанализаторы, сенсоры [94].

Свойства тонких пленок в значительной степени определяются способом их получения, а также материалом и качеством поверхности подложки, составом распыляемой мишени, составом рабочих газов и применяемых химических реактивов. Поэтому важнейшей задачей является разработка методов исследования, желательно неразрушающих, оптических и электрических свойств, их зависимостей от вышеперечисленных факторов и установление корреляции между исследуемыми свойствами и эксплуатационными характеристиками.

В результате добавления' углерода в состав* тонких пленок БЮг, осуществляемой путем распыления графитовых дисков в. составе кремниевой мишени, в них происходят необратимые изменения структуры, приводящие к образованию пор [103]. Наличие пор делает МДМ-систему принципиально новым объектом по сравнению с исходной конденсаторной структурой, у которой появляются такие свойства, как эффекты переключения и памяти, высокая чувствительность к. различным газам. В силу перечисленных свойств, пористые МДМ-системы могут быть использованы в ряде приборов твердотельной и вакуумной электроники. Так, на их основе можно создать новые энергонезависимые элементы памяти для запоминающих устройств ЭВМ, эффективные ненакаливаемые эмиттеры электронов для вакуумных интегральных схем и других электровакуумных приборов, светоизлучающие элементы для индикаторных устройств, датчики давления, сенсоры, газоанализаторы и т.д. Приборам и устройствам на основе пористых МДМ-систем присущ ряд достоинств: относительно простая технология изготовления, полностью совместимая с современной полупроводниковой интегральной технологией возможность микроминиатюризации, легкость изготовления в матричном исполнении.

Данная работа направлена на исследование влияния примеси углерода (графита) в рабочем диэлектрике на параметры МДМ-структур.

Актуальность этого исследования заключается в том, что оно охватывает практически неизученную область: влияние углерода на параметры диэлектрических пленок. Паромасляные и механические насосы, широко используемые для получения вакуума, приводят к значительному повышению концентрации углеводородов в вакуумной камере. Адсорбируясь на распыляемых поверхностях, углерод участвует в процессах зарождения и роста диэлектрических пленок, что в конечном итоге сказывается на свойствах получаемого диэлектрика. Если рассматривать процесс формовки как метод по определению качества диэлектрика, то можно сказать, что присутствие углерода и углеводородов в вакуумной камере на стадии изготовления диэлектрика оказывает влияние на качество и структуру диэлектрика. Диэлектрик разрыхляется и образуется пористая структура. Полученные пористые пленки имеют высокий адсорбционный отклик, обладают высокой чувствительностью к парообразным углеводородам. Подобных исследований для пористых МДМ — структур не проводилось и поэтому проведение таких экспериментов актуально.

Целью работы являлось: исследование механизма формирования и влияния примеси углерода на структуру пленок диоксида кремния, его электрофизические параметры и исследование возможности создания, элементов электроники на основе пористых слоев диоксида кремния.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Первая глава посвящена литературному обзору процесса получения пористых пленок и их свойств. Рассмотрен широкий круг статей, книг и тезисов докладов, посвященных пористым пленкам. Особое внимание уделено описанию одинаковых

Заключение диссертации по теме «Физическая электроника», Усов, Сергей Петрович

4.4. Выводы по главе

Исследованы газочувствительные свойства пористого диоксида кремния, установлено, что МД11-структура обладает чувствительностью к парообразным углеводородам, при адсорбции молекул газа на пленку диоксида кремния наблюдается увеличение проводимости структуры. На основании полученных данных предложен и защищен патентом чувствительный элемент для датчика углеводородов. Так же установлено что память по напряжению и давлению в структурах Мо-8Ю2+С-А1 имеет классический вид и не зависит от пористости диэлектрика. Разница наблюдается только в абсолютных значениях сквозных токов, что связано с различной проводимостью структур Мо-8Ю2+С-А1. Внедрение углерода в пленку рабочего диэлектрика увеличивает уровень электронной эмиссии с формованных структур Мо-8Ю2+С-А1, причем это увеличение определяется количеством углерода введенного в пленку диэлектрика 8Ю2.

Заключение

В результате выполнения диссертационной работы по исследованию электрофизических свойств пористых многофункциональных пленок диоксида кремния получено следующее:

1. Формирование тонких пленок диоксида кремния методом магнетронного распыления составной мишени Si-C в кислородосодержащей атмосфере приводит к формированию рыхлой неупорядоченной структуры диэлектрика, содержащей большое число сквозных пор и газовых включений. Предложен механизм формирования пористого диоксида кремния, главным моментом которого является протекание химической реакции между кислородом и углеродом, приводящей к образованию летучего соединения СО или СОг, которое покидает пленку диэлектрика, приводя к образованию сквозных пор и газовых включений, а также образованию областей неполного окисления кремния. При этом установлено увеличение электропроводности, тангенса угла диэлектрических потерь, по мере роста Sc. Так же впервые обнаружено уменьшение ширины оптической,щели с ростом Sc.

2. Количество пор в пленке диоксида кремния, получаемой путем распыления составной мишени Si-C методом магнетронного распыления в атмосфере О2, существенно зависит от процентного содержания кремния и углерода. Увеличение доли графита от 30% до 80% приводит к увеличению количества пор от 1,25-106 до 2,5-106;

3. Формирование диэлектрика Si02 методом магнетронного распыления составной мишени Si-C приводит к увеличению эмиссионного тока. Достигну

2 2 та плотность тока 0,075 А/см против 0,005 А/см у образцов без примеси углерода в диэлектрике;

4. Пленки пористого диоксида кремния обладают чувствительностью к парообразным углеводородам, что позволяет использовать их в качестве чувствительных элементов датчиков газов;

Практическая значимость результатов диссертационной работы подтверждается патентами на чувствительный элемент датчика углеводородов и технологию получения пористого диоксида кремния.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Усов, Сергей Петрович, 2011 год

1. Porous Semiconductors Science and Technology / Materials of the International Conference. Mallorca, Spain, 1998.

2. Imai K. Unno H. // IEEE Trans. On Electron. Dev. 1984. V. ED-31. P. 297-302.

3. Зимин С.П. Формирование двухсторонней пористой структуры при электрохимическом травлении кремния методом Унно-Имаи / С.П. Зимин, М.Н. Преображенский, Д.С. Зимин // ЖТФ. 2000, Т.26, вып. 1, С.24-29:

4. Московченко Н.Н. Разработка основ технологии создания и исследования газочувствительных сенсоров на основе пористого SiC и» структуры ТЮ2 / пористый SiC. Таганрог, 2006.

5. Московченко Н.Н. Газоанализаторы на основе пористого карбида кремния / Н.Н. Московченко, A.M. Светличный // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2006. №3. С.32-35.

6. Светличная JI.A. Получение и свойства пористого карбида кремния / JI.A. Светличная, Н.Н. Московченко, П.В. Серба // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. -2005. №1. С.53-57.

7. Савкина Н.С. Влияние высокотемпературного эпитаксиального процесса роста слоев SiC на структуру пористого карбида кремния / Н.С. Савкина, В.В. Ратников, В.Б. Шумин // Физика и техника полупроводников. — 2001. -Т.35, вып. 2. С.159-163.

8. Savkina N.S. ТЕМ'and EDX studies of 6H-SiC porous layer as a substrate for subsequent homoepitaxial growth / N.S. Savkina, L.M. Sorokin, J.L. Hutchison et. al. // Mater. Sci. Forum. 2002. - Vol. 389-393. - P.271-274.

9. Matsumoto T. Blue-green luminescence from* porous SiC / T. Matsumoto, J. Takahashi, T. Tamaki // Appl. Phys. Lett. 1994. - Vol. 64. - P.226-228.

10. Shor J.S. Direct observation of porous SiC formed by anodization in HF / J.S. Shor et al. // Appl. Phys. Lett. 1993. - Vol. 62. - P.2836-2838.

11. Mynbaeva M. Porous wide band-gap semiconductors: prospective applications / Abstr. Of the 4th Intern. Seminar on SiC and Related Mat. Novgorod the Great. -2002.-P.l5.

12. Shulpina I.L. Real structure of homoepitaxial SiC-6H and 4H layers grown overthporous substrates / I.L. Shulpina, V.V. Ratnikov et al. // Abstr. of the 5 Intern. Seminar on SiC and Related Mat. Novgorod the Great. - 2004. - P.32.

13. Mynbaeva M. Chemical vapor deposition of 4H SiC epitaxial layers on porous SiC substrates / M. Mynbaeva, S.E. Saddow et al. // Appl. Phys. Lett. 2001. -Vol. 79.-P.l 17-119.

14. Saddow S.E. SiC defect density reduction by epitaxy of porous surfaces / S.E. Saddow, W.J. Choyke et al. // Mater. Sei. Forum. 2001. -Vol.115. -P.353-356.

15. Suddarchan T.S. Silicon carbide research activity in south Carolina / T.S. Suddarchan, I.I. Khlebnikov // Abstr. of the 4 Intern. Seminar on SiC and Related Mat. Novgorod the Great, 2002. - P.82.

16. Shor J.S. Characterization of nanocrystallites in porous p-type 6H-SiC / J.S. Shor, J. Grimberg et al. // Appl. Phys. Lett. 1994. - Vol.76, №7 -P.4045-4049.

17. Белов A.H. Особенности получения наноструктурированного анодного оксида алюминия / А.Н. Белов, С.А. Гаврилов, В.И. Шевяков // Российские нанотехнологии. Т.1. - №1-2. 2006. - С.223-227.

18. Нанотехнологии в электронике. Под ред. Чаплыгина Ю.А. М.: Техносфера, 2005. 448 с.

19. Strirland DJ., Bickneil R.W. //J Electrochem. Soc. 1959. №2. P.223.

20. Chakarvarty S.K., Vetter J. A review // Radiation Measurements 1998. — V. 29. №2. P. 149.

21. Masuda H. / H. Masuda, K. Kanezawa, K. Nishino // Chem. Lett., 2002. P.1218.

22. Францевич H.H. Анодное окисление покрытия на металлах и анодная защита. Киев: Наукова думка, 1985. — 280 с.108

23. Li A., Muller F., Birner A., Nielsch K., Gosele U. // J. Appl. Phys. 1998. -V. 84. №11. P. 6023.

24. Patermarakiss G., Moussoutzanis K. // Corrosion Science, 2002. V.44. P. 1737.

25. Росляков И.В. Получение упорядоченного массива Со нанонитей на основе пористых пленок А12Оз // VII Конференция молодых ученых : Актуальные проблемы современной неорганической химии и материаловедения. — Звенигород, 2007. С.38.

26. Masuda Н., Fukuda К. Ordered metal nanohole arrays made by a two step replication of honeycomb structures of anodic alumina. Science. Vol. 268. 1995. - P.1466-1468.

27. Сокол В.А. Особенности роста пористого оксида алюминия // Доклады БГУИР. Т.1 №1. 2003: - С.75-82.

28. Гурский Л.И., Зеленин В.А. Структура и кинетика взаимодействия металлов с окисляющими средами Мн., 1981.

29. Сокол В.А. // Весщ АН БССР. Сер. ф1з. -тэхн: навук. 1984, №3. С. 99-104.

30. Сокол В.А. Конструктивно-технологические методы создания гибридных микросхем на основе алюминия и его анодных оксидов : дис. д-ра техн. наук. Минск, 1988.

31. Ivanov P.A. Effective carrier density in porous silicon carbide / P.A. Ivanov, M.G. Mynbaeva, S.E. Saddow // Semicond. Sci. technol. 2004. V. 19. -P.319-322.

32. Варзарев Ю.Н. Релаксация емкости в структурах металл пористый SiC — монокристаллический SiC // Известия Таганрогского государственного радиотехнического университета. — Таганрог, 2005. - Т.53. - С.62-63.

33. Богданов С.А. Автоматизированная система измерения параметров глубоких уровней в полупроводниковых структурах / С.А. Богданов, Ю.Н. Варзарев, Г.М. Набоков // Труды VII международной НТК ПЭМ 2002.4.1. Таганрог, 2002. - С.88-89

34. Т. Unagami J. Electrochem. Soc., 127. 476 (1980)

35. Биленко Д.И., Мысенко Н.П., Хасина Е.И: ФТП, 17, 2090 (1983)109

36. M.I.J. Beale, J.D. Benjamin, M.J. Uren, N.G. Chew, A.G. Cullis. J. Cryst. Growth, 73, 622 (1985).

37. Anderson R.C., Muller R.S., Tobias C.W. J. Electrochem. Soc., 138, 3406 (1991).

38. Read A.J., Needs R.J., Nash K.J., Canham L.T., Calcott P.D.J., Qfeish A. Phys. Rev. Lett, 69, 1232(1992).

39. Tsu R., Babic D. Appl. Phys. Lett., 64, 1806 (1994).

40. Lehmann V., Hofmann F., Muller F., Gruning U. Thin Sol. Films, 255, 20 (1995).

41. Richter A., Steiner P., Kozlowsky F., Lang W. IEEE Electron. Dev. Lett., 12, 691 (1991).

42. Зимин С.П. Физика и техника полупроводников. — 2000. Т.34. вып. 3. С.359-363.

43. Зимин С.П. Письма в ЖТФ, 21(24), 46 (1995).

44. Cadet С., Deresmes D., Vuillaume D., Stievenard D. Appl. Phys. Lett., 64, 2827 (1994).

45. Зимин С.П., Комаров Е.П. Письма в ЖТФ, 24 (6), 45 (1998).

46. Зимин С.П., Братин А.Н. ФТП, 33, 476 (1999).

47. Зимин С.П., Письма ЖТФ, 20 (7), 55 (1994).

48. Ponomarev Е.А., Cowache P., Levy-Clement С. Mater: Int. Conf. "Porous Semiconductors Science and Technology" (Mallorca, Spain, 1998) P.23.

49. Винке А.Л., Зимин С.П., Палашов B.H. Патент РФ №2054746 (1996), приоритет 13.01.93.

50. Lee W.H., Lee С., Lang J. J. Non-Ciyst. Sol., 198, 911 (1996).

51. Libianiker Y., Balberg I., Partee J., Shinar J. J. Non-Cryst. Sol., 198, 949 (1996).

52. Балагуров JI.A. Материаловедение, №1, 50 (1998); Балагуров JI.A. Материаловедение, №3, 23 (1998).

53. Libianiker Y., Balberg I. Phys. Rev. Lett., 78, 2433 (1997).

54. Peng C., Hirchman K.D., Fauchet P.M. J. Appl. Phys., 80, 295 (1996).

55. Слободчиков C.B., Салихов Х.М., Руссу Е.В., Мередов М.М., Язлыева А.И. ФТП,31, 15(1997).

56. Родерик Э.Х. Контакты металл-полупроводник (М.: Радио и связь, 1982). Пер. с англ.: E.H. Rhoderick. Metal-semiconductors contacts (Clarendon Press, Oxford, 1978).

57. Зи С. Физика полупроводниковых приборов (M.: Мир, 1984) т. 1. Пер. с англ.: S.M. Sze. Physics of Semiconductor Devices (N.Y. Toronto - Singapore, Willey-Interscience Publ., 1981).

58. Zimin S.P., Kuznetsov V.S., Procaznicov A.V. Appl. Surf. Sei., 91, 355 (1995).

59. Чистяков B.B., Зимин С.П., Винке АЛ. Патент РФ №2065226 (1996), приоритет 27.07.93.

60. Pulsford N.J., Rikken G.L.J.A., Kessener Y.A.R.R., Lous E.J., Venhuizen A.N J. J. Luminecs., 57, 181 (1993).

61. Ben-Chorin M., Moller F., Koch F. J. Appl. Phys., 77, 4482 (1995).

62. Астрова E.B. Физика и техника полупроводников / E.B. Астрова и др. — 1999. том 33. Вып. 10. С. 1264-1270.

63. Аззам Р., Башира Н. Эллипсометрия и поляризованный свет (М., Мир. 1981).

64. Bjorklund R.B., Zangooie S., Arwin H. Appl. Phys. left., 69, 3001 (1996)

65. Tolmachev V.A. Proc. SPIE, 3094, 281 (1997).

66. Tolmachev V.A. Optics Commun, 153, 39 (1998).

67. Aspens D.E., Theeten J.B. J. Appl. Phys., 50, 4928 (1979).

68. Аверкиев H.C., Казакова Л.П., Лебедев Э.А., Рудь Ю.В., Смирнов А.Н., Смирнова H.H. ФТП, Т. 34, вып. 6. 2000. - С.757-761.

69. Бузынин Ю.Н., Гусев С.А., Дроздов М.Н., Дроздов Ю.Н., Мурель A.B., Красильников З.С., Ревин Д.Г., Шашкин В.И., Шулешова И.Ю. Тез. докл. 2-й Рос. конф. по физике полупроводников (Зеленогорск, 1996) T. 2.-С.123.

70. Сидорова Л.П., Гаврилов С.А., Емельянов А.В. Тез. докл. Всероссийской научно-технической конференции "Микро- и наноэлектроника" (Звенигород, 1998) Т.2. С.3-33.

71. Zheng X.L., Wang W., Chen H.C. Appl. Phys. Lett., 60 (8), 986 (1992).

72. Shimizu A., Yamada Y., Isutsu G., Yano K., Kasuga M. Japan. J. Appl. Phys., 35, L 276 (1996).

73. Asnin V.M., Averkiev N.S., Churilov A.B., Markokv I.I., Mokrousov N.E., Silov A.YU., Stepanov V.I. Sol. St. Commun., 87, 817 (1993).

74. Московченко H.H. Газоанализаторы на основе пористого карбида кремния // Технология и конструирование в электронной аппаратуре / Н.Н. Московченко, A.M. Светличный. 2006. -№3. -С.32-35.

75. Butta N. A family of tinoxide-based sensors with improved selectivity to methane / N. Butta, L. Cinquegrani, E. Migno et al. // Sensors and Actuators B. — 1992. Vol. 6. - P.253-256.

76. Рамбеза С.И. Нужен ли человечеству искусственный нос? // Природа. -2005. №2. - С.5-12.

77. Сеченов Д.А. Газочувствительные датчики на основе карбида кремния / Сеченов и др. Баку: Мутарджим, 2004.

78. Shields V. В. A variable potential porous silicon carbide hydrocarbon gas sensor / V. B. Shields, M. A. Ryan, R. M. Williams // Inst. Phys. Conf. Ser. -1996. -N 142. P.1067-1070.

79. Технология тонких пленок. Справочник. / Под ред. Л. Майсела, Р. Глэнга-М.: Сов. радио, 1977.-Т. 1.-635 с.

80. Бурдовицин В.А. Исследование режимов получения и, свойств пленок ок-синитрида кремния при ионно-реактивном распылении : дисс. . канд. техн. наук. Томск,1981. — 143 с.

81. Корзо В.Ф. Диэлектрические пленки в микроэлектронике / В.Ф. Корзо, В.Н. Черняев. М.: Энергия, 1977. - 368 с.

82. Воробьев Г.А. Пробой тонких диэлектрических пленок / Г.А. Воробьев,

83. В.А. Мухачев. М.: Сов. радио, 1977. - 72 с.112

84. Троян П.Е. Разработка и исследование тонкопленочного холодного катода для электровакуумных приборов: дисс. . канд. техн. наук / Троян Павел Ефимович Томск, 1976 - 207 с.

85. Бурачевский Ю.А. Изучения свечения формованных МДМ-структур: дис. канд. физ.- мат. наук/ Бурачевский Юрий Алексеевич. — Томск, 1985- 200 с.

86. Гапоненко В.М. Влияние верхнего электрода на деградацию МДМ-катода / В.М. Гапоненко, Р.Б. Лубсанов, В.М. Подгорный // Тез. докл. XX Всес. конференции по эмиссионной электронике. Киев* 1987 — Т.1. — С.169.

87. Hogarth С.А. The voltage-current characteristics of thin MIM sandwiches with SiO/BiO as the insulator / K.I. Arshar, A. Glot, C.A. Hogarth // J. of Mater. Sciense. 1985. - Vol. 20, N lOi -P.3590-3596.

88. Быков В.А. Сканирующая зондовая микроскопия для науки и промышленности / В.А. Быков, М.И. Лазарев, С.А. Саунин. М.: Мир, 1997 - С.114.

89. Сканирующая зондовая микроскопия биополимеров / Под ред. Яминского И.В. М.: Научный мир, 1997. - 86 с.

90. Бахтизин Р.З. Физические основы сканирующей зондовой микроскопии / Р.З. Бахтизин, P.P. Галлямов // РИО БашГУ. Уфа, 2003 - С.82.

91. Галлямов М.О. Сканирующая зондовая микроскопия. Основные принципы, анализ искажающих эффектов / М.О. Галлямов, И.В. Яминский. -Уфа, 2001 С.143.

92. Г. Хасс. Физика тонких пленок, пер. с англ. под ред. Сандомирского В.Б. / Г. Хасс. // М.: Мир, 1978. -Т.8. - 168 с.

93. Замалин Е.Ю. Влияние реактивного ионного травления на пористость и величину заряда пленок диоксида кремния / Е.Ю. Замалин, Г.Н. Гриднева // Микроэлектроника. 1986. Т.25, №2. - С.143-145.

94. ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДАТЧИКА УГЛЕВОДОРОДОВ

95. ПатеитооблгщательСли): Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) (Н11)1. Лвтор(и): см, на обороте1. Заявка №2010116215

96. Приоритет полезной модели 23 апреля 2010 г. 'Зарегистрировано в Росу дарственном реестре полезных •:моделейЛ?(х;сийской:;Федерацш Срок действня.патента истекает 23 апреля 2020 г.

97. Руководите.™Федеральной службщцот!^^ собственности, патентам и товарным знакам1. Б.П.Сшюиов1. Форма Л| 01 ИЗ-2008

98. ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ,

99. ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ Приложение Б (РОСПАТЕНТ) ^

100. Бережковская наб., 30, корп. I, Москва, Г-59, ГСП-5, 123995. Телефон [phone]. Факс [phone]. На № ОТ

101. Наш № 2010118778/28(026700)

102. При переписке просим ссылаться на номер заявки и сообщить дату получена* настоящей корреспонденции634050, г.Томск, пр. Ленина, 40, ТУСУР, патентно-информационный отделпо 8 АВГ 2011г

103. Заявка № 2010118778/28(026700)

104. Дата подачи заявки 11.05.2010

105. Заключение по результатам экспертизы прилагается.