RU2359356C1 - Method for creation of conducting nanowires on surface of semiconductor substrates - Google Patents
Method for creation of conducting nanowires on surface of semiconductor substrates Download PDFInfo
- Publication number
- RU2359356C1 RU2359356C1 RU2007143736/28A RU2007143736A RU2359356C1 RU 2359356 C1 RU2359356 C1 RU 2359356C1 RU 2007143736/28 A RU2007143736/28 A RU 2007143736/28A RU 2007143736 A RU2007143736 A RU 2007143736A RU 2359356 C1 RU2359356 C1 RU 2359356C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nanowires
- copper
- creation
- buffer layer
- deposited
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Electrodes Of Semiconductors (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к способам создания металлических нанопроволок на поверхности полупроводниковых подложек и может быть использовано при создании твердотельных электронных приборов.The invention relates to methods for creating metal nanowires on the surface of semiconductor substrates and can be used to create solid-state electronic devices.
Известен способ создания на поверхности кремния Si(100) нанопроволок на основе силицидов редкоземельных металлов (ScSi2, ErSi2, DySi2, GdSi2), заключающийся в осаждении в условиях сверхвысокого вакуума пленок редкоземельных металлов (Er, Gd, Sc, Dy) субмоноатомной толщины (менее 0,5 моноатомного слоя) на предварительно очищенную указанную поверхность в диапазоне температур от комнатной температуры до 620°С и последующем отжиге осажденной пленки в диапазоне температур от 575°С до 800°С в течение 5 минут для стимуляции химической реакции между осажденным металлом и подложкой кремния, приводящей за счет анизотропии несоответствия кристаллических решеток силицида и подложки кремния (для ScSi2, ErSi2, DySi2, GdSi2 несоответствие составляет -4,6%, 6,3%, 7,6%, 8,9%, соответственно, в одном из основных кристаллографических направлений Si < 110 > и 0,8%, -1,6%, -0,1%, 0,8% соответственно в перпендикулярном ему направлении) к анизотропному росту островков силицидной фазы, имеющих форму нанопроволок, имеющих ширину в диапазоне от 3 до 11 нм, высоту в диапазоне от 0,2 до 3 нм и длину в диапазоне от 150 до 450 нм [Y.Chen et al., US Patent "Formation of nanoscale wires" № 6,773,616 B1, Date of Patent: Aug. 10, 2004; Y.Chen, D.A.A.Ohiberg, R.S.Williams, "Nanowires of four epitaxial hexagonal silicides grown on Si(100)″ // Journal of Applied Physics 2002, v.91, P. 3213-3218].A known method of creating on the surface of silicon Si (100) nanowires based on rare-earth metal silicides (ScSi 2 , ErSi 2 , DySi 2 , GdSi 2 ), which consists in the deposition of films of rare-earth metals (Er, Gd, Sc, Dy) submonoatomic under ultrahigh vacuum thickness (less than 0.5 monoatomic layer) on a previously cleaned specified surface in the temperature range from room temperature to 620 ° C and subsequent annealing of the deposited film in the temperature range from 575 ° C to 800 ° C for 5 minutes to stimulate a chemical reaction between the deposited meth llom and the silicon substrate, resulting in anisotropy due to the silicide and the silicon substrate mismatch lattices (for ScSi 2, ErSi 2, DySi 2, GdSi 2 mismatch is -4.6%, 6.3%, 7.6%, 8.9 %, respectively, in one of the main crystallographic directions Si <110> and 0.8%, -1.6%, -0.1%, 0.8%, respectively, in the direction perpendicular to it) to the anisotropic growth of islands of the silicide phase having the shape of nanowires having a width in the range of 3 to 11 nm, a height in the range of 0.2 to 3 nm, and a length in the range of 150 to 450 nm [Y. Chen et al., US Patent "Formation of nanoscale wires" No. 6,773,616 B1, Date of Patent: Aug. 10, 2004; Y. Chen, DAAOhiberg, RSWilliams, "Nanowires of four epitaxial hexagonal silicides grown on Si (100) ″ // Journal of Applied Physics 2002, v. 91, P. 3213-3218].
Недостатком данного способа является то, что формирование нанопроволок происходит спонтанно в произвольных местах подложки, а их рост может происходить равновероятно в двух перпендикулярных направлениях, и таким образом, указанный метод не обеспечивает возможность управления местоположением формирования нанопроволок на поверхности подложки и направлением их роста.The disadvantage of this method is that the formation of nanowires occurs spontaneously in arbitrary places on the substrate, and their growth can occur equally in two perpendicular directions, and thus, this method does not provide the ability to control the location of the formation of nanowires on the surface of the substrate and the direction of their growth.
Известен также способ создания массивов металлических нанопроволок, заключающийся в осаждении в условиях сверхвысокого вакуума пленок благородных металлов (Ag, Au), а также свинца (Pb), субмоноатомной толщины на предварительно очищенные вицинальные поверхности Si(111) и высокоиндексные поверхности Si(557), характеризующиеся малой шириной атомных террасами (например, 1,9 нм в случае поверхности Si(557)) и высокой плотностью атомных ступеней (например, 0,5×109 м-1 в случае поверхности Si(557)), при температуре в диапазоне температур от 500°С до 700°С, в результате которого происходит конденсация осажденного металла на атомных ступенях с образованием массива нанопроволок атомной толщины [I.Matsuda, M.Ueno, T.Hiraha, R.Hobara, H.Morikawa, С.Liu, S.Hasegawa, "Electrical resistance of a monoatomic step on crystalline surface" // Physical Review Letters, 2004, V. 93, P. 236801; H.Okino, R.Hobara, I.Matsuda, T.Kanagawa, S.Hasegawa, J.Okabayashi, S.Toyoda, М.Oshima, K.Ono, "Nonmetallic transport of a quasi-one-dimensional Si(557)-Au surface" // Physical Review В 2004, v. 70, p. 113404; С.Tegenkamp, H.Pfnur, "Switching between one- and two-dimensional conductance: Coupled chains in the monolayer of Pb on Si(557)″ // Surface Science 2007, v. 601, p. 2641].There is also a method of creating arrays of metal nanowires, which consists in the deposition of films of noble metals (Ag, Au), as well as lead (Pb), submonoatomic thickness on pre-cleaned vicinal Si (111) surfaces and high-index Si (557), under ultra-high vacuum conditions. characterized by a small width of atomic terraces (for example, 1.9 nm in the case of a Si surface (557)) and a high density of atomic steps (for example, 0.5 × 10 9 m -1 in the case of a Si surface (557)), at a temperature in the range temperatures from 500 ° C to 700 ° C, as a result whose condensation of the deposited metal occurs at atomic steps with the formation of an array of nanowires of atomic thickness [I. Matsuda, M. Ueno, T. Hiraha, R. Hobara, H. Morikawa, C. Liu, S. Hasegawa, "Electrical resistance of a monoatomic step on crystalline surface "// Physical Review Letters, 2004, V. 93, P. 236801; H. Okino, R. Hobara, I. Matsuda, T. Kanagawa, S. Hasegawa, J. Okabayashi, S. Toyoda, M. Oshima, K. Ono, "Nonmetallic transport of a quasi-one-dimensional Si (557) -Au surface "// Physical Review In 2004, v. 70, p. 113,404; C. Tegenkamp, H. Pfnur, "Switching between one- and two-dimensional conductance: Coupled chains in the monolayer of Pb on Si (557)" // Surface Science 2007, v. 601, p. 2641].
Недостатком данного способа является то, что сформированные с помощью данного метода нанопроволоки обладают низкой проводимостью в силу ограниченного поперечного сечения нанопроволок атомной толщины.The disadvantage of this method is that nanowires formed using this method have low conductivity due to the limited cross section of atomic thickness nanowires.
Задачей, на решение которой направлен заявляемый способ создания проводящих нанопроволок на поверхности полупроводниковых подложек, является разработка создания нанопроволок, обладающих высокой проводимостью, с возможностью управления местоположением формирования этих нанопроволок.The problem to which the claimed method is directed to create conductive nanowires on the surface of semiconductor substrates is to develop the creation of nanowires with high conductivity, with the ability to control the location of the formation of these nanowires.
Поставленная задача решается тем, что на первом этапе создания проводящих нанопроволок осаждают медь на поверхность кремния Si(111) с формированием буферного слоя силицида меди CuaSi при температуре 500°С в условиях сверхвысокого вакуума, буферный слой силицида меди формируют моноатомной толщины, после чего при температуре 20°С осаждают не менее 10 слоев меди на атомных ступенях поверхности буферного слоя, которые формируют нанопроволоки эпитаксиальной меди, ориентированные вдоль атомных ступеней подложки.The problem is solved in that at the first stage of the creation of conducting nanowires, copper is deposited on the Si (111) silicon surface with the formation of a buffer layer of CuaSi copper silicide at a temperature of 500 ° C under ultrahigh vacuum, a buffer layer of copper silicide is formed of a monatomic thickness, and then at a temperature At least 10 copper layers are deposited at 20 ° C on the atomic steps of the surface of the buffer layer, which form epitaxial copper nanowires oriented along the atomic steps of the substrate.
Отличительными признаками заявленного способа создания проводящих нанопроволок на поверхности полупроводниковых подложек являются:Distinctive features of the claimed method for creating conductive nanowires on the surface of semiconductor substrates are:
- буферный слой силицида меди формируют моноатомной толщины;- a buffer layer of copper silicide form a monoatomic thickness;
- при температуре 20°С осаждают не менее 10 слоев меди на атомных ступенях поверхности буферного слоя, которые формируют нанопроволоки эпитаксиальной меди, ориентированные вдоль атомных ступеней подложки.- at a temperature of 20 ° C, at least 10 layers of copper are deposited on the atomic steps of the surface of the buffer layer, which form epitaxial copper nanowires oriented along the atomic steps of the substrate.
Сопоставительный анализ существенных признаков заявленного способа с существенными признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию «новизна». Заявленный способ обладает техническим уровнем и может быть пригоден для применения.A comparative analysis of the essential features of the claimed method with the essential features of analogues and prototype indicates its compliance with the criterion of "novelty." The claimed method has a technical level and may be suitable for use.
При этом отличительные признаки изобретения обеспечивают возможность контролируемого создания нанопроволок с высокой проводимостью на поверхности полупроводниковой подложки.Moreover, the distinguishing features of the invention provide the possibility of controlled creation of nanowires with high conductivity on the surface of the semiconductor substrate.
На фиг.1 представлена схема последовательных операций в заявленном способе формирования нанопроволок Cu на поверхности подложки кремния Si(111). На фиг.2 представлено изображение поверхности с массивом нанопроволок, полученное в сканирующем туннельном микроскопе. На фиг.3 представлены результаты измерений.Figure 1 presents a diagram of sequential operations in the inventive method of forming Cu nanowires on the surface of a silicon substrate Si (111). Figure 2 presents the image of the surface with an array of nanowires obtained in a scanning tunneling microscope. Figure 3 presents the measurement results.
Заявленный способ создания проводящих нанопроволок на поверхности полупроводниковых подложек реализуется следующим образом.The claimed method of creating conductive nanowires on the surface of semiconductor substrates is implemented as follows.
На предварительно очищенной поверхности кремния Si(111) создается буферный слой, представляющий собой силицид Cu2Si моноатомной толщины, обладающий таким свойством, что атомы Cu, осажденные на указанный слой при комнатной температуре, не вступают в химическую реакцию с атомами кремния подложки, а, свободно мигрируя по поверхности атомных террас, конденсируются на атомных ступенях, образуя вдоль них нанопроволоки на основе эпитаксиальной меди.On the previously cleaned surface of silicon Si (111), a buffer layer is created, which is a silicide of Cu 2 Si of monoatomic thickness, which has the property that Cu atoms deposited on the specified layer at room temperature do not enter into a chemical reaction with the silicon atoms of the substrate, and Migrating freely on the surface of atomic terraces, they condense on atomic steps, forming along them an epitaxial copper nanowire.
На первом этапе (фиг.1а) путем прогрева при температуре 1200°С в течение 20 с в условиях сверхвысокого вакуума <1×10-7 Па получают атомарно-чистую поверхность Si(111) с концентрацией структурных дефектов <3%.At the first stage (figa), by heating at a temperature of 1200 ° C for 20 s under ultrahigh vacuum <1 × 10 -7 Pa, an atomically clean Si (111) surface with a concentration of structural defects <3% is obtained.
На втором этапе (фиг.1б) на очищенную поверхность без нарушения сверхвысоковакуумных условий осаждают пленку меди толщиной 2 моноатомных слоя (МС). Медь осаждают из эффузионной ячейки со скоростью 0,5 МС/мин, температура подложки в ходе осаждения 500°С. В результате реакции осажденной меди с атомами кремния на поверхности подложки формируется сплошной слой силицида меди Cu2Si моноатомной толщины.At the second stage (figb), a copper film with a thickness of 2 monatomic layers (MS) is deposited on a cleaned surface without violating ultrahigh vacuum conditions. Copper is deposited from the effusion cell at a rate of 0.5 MS / min; the substrate temperature during deposition is 500 ° C. As a result of the reaction of deposited copper with silicon atoms, a continuous layer of copper silicide Cu 2 Si of monoatomic thickness is formed on the surface of the substrate.
На третьем этапе (фиг.1в) на поверхность буферного слоя Cu2Si при комнатной температуре осаждают пленку меди с толщиной в диапазоне от 10 до 25 МС, при этом осажденная медь конденсируется на атомных ступенях с образованием нанопроволок на основе эпитаксиальной меди. Ширина нанопроволок находится в диапазоне от 20 до 40 нм, высота в диапазоне от 1 до 2 нм. Для характеристики проводимости сформированного массива нанопроволок с помощью зондовой головки с четырьмя зондами, расположенными в вершинах квадрата со стороной 0,6 мм, были проведены электрофизические измерения проводимости системы, как функции угла поворота зондовой головки. Кружками представлены данные для угловой зависимости проводимости образца перед наращиванием нанопроволок, то есть подложки Si(111), покрытой слоем силицида Cu2Si моноатомной толщины. Треугольниками вершиной вверх представлены данные угловой зависимости проводимости образца со сформированным массивом нанопроволок при осаждении 22 МС меди. Указанной зависимости соответствует анизотропия проводимости (отношение проводимости вдоль и поперек направления нанопроволок), равная 4,8. Эта величина фактически характеризует во сколько раз проводимость нанопроволок выше проводимости подложки. Треугольниками вершинами вниз представлены данные угловой зависимости проводимости образца со сплошной пленкой меди, сформированной при осаждении 28 МС Cu. Проводимость пленки совпадает с проводимостью нанопроволок, однако анизотропия проводимости в ней отсутствует. В таблице представлены величина анизотропии проводимости массива нанопроволок, полученного с помощью заявляемого метода в сравнении с таковыми для массивов, полученных с помощью известных методов. Как видно, в них анизотропия проводимости, а следовательно, и собственно проводимость нанопроволок в 1,8-3,0 раза ниже.In the third stage (Fig. 1c), a copper film with a thickness in the range from 10 to 25 MS is deposited on the surface of the Cu 2 Si buffer layer at room temperature, while the deposited copper condenses at the atomic steps to form epitaxial copper nanowires. The width of the nanowires is in the range from 20 to 40 nm, the height in the range from 1 to 2 nm. To characterize the conductivity of the formed array of nanowires using a probe head with four probes located at the vertices of the square with a side of 0.6 mm, we performed electrophysical measurements of the system conductivity as a function of the angle of rotation of the probe head. The circles show the data for the angular dependence of the conductivity of the sample before the growth of nanowires, i.e., a Si (111) substrate coated with a layer of silicide Cu 2 Si of monoatomic thickness. The upward triangles represent the angular dependence of the conductivity of the sample with the formed array of nanowires during the deposition of 22 MS copper. The indicated dependence corresponds to the anisotropy of conductivity (the ratio of conductivity along and across the direction of nanowires), equal to 4.8. This value actually characterizes how many times the conductivity of nanowires is higher than the conductivity of the substrate. The triangles with the vertices downward represent the data on the angular dependence of the conductivity of the sample with a continuous copper film formed during the deposition of 28 Cu Cu. The conductivity of the film coincides with the conductivity of nanowires, but there is no anisotropy of conductivity in it. The table shows the value of the anisotropy of the conductivity of an array of nanowires obtained using the inventive method in comparison with those for arrays obtained using known methods. As can be seen, the anisotropy of conductivity in them, and, consequently, the conductivity of nanowires proper, is 1.8-3.0 times lower.
[1] I.Matsuda et al. Physical Review Letters 2004, v. 93, p. 236801.[1] I. Matsuda et al. Physical Review Letters 2004, v. 93, p. 236801.
[2] H.Okino et al. Physical Review В 2004, v. 70, p. 113404.[2] H. Okino et al. Physical Review In 2004, v. 70, p. 113404.
[3] С.Tegenkamp and H.Pfnur, Surface Science 2007, v. 601, p. 2641.[3] C. Thegenkamp and H. Pfnur, Surface Science 2007, v. 601, p. 2641.
Таким образом, за счет использования двухэтапной процедуры осаждения меди на поверхность кремния Si(111) с формированием на первом этапе буферного слоя силицида меди Cu2Si моноатомной толщины при температуре 500°С в условиях сверхвакуума и осаждением на втором этапе 10-20 моноатомных слоев меди при комнатной температуре удалось обеспечить формирование нанопроволок эпитаксиальной меди, ориентированных вдоль атомных ступеней подложки, и обладающих проводимостью, выше, чем у известных пототипов.Thus, due to the use of a two-stage procedure of deposition of copper on the Si (111) silicon surface with the formation of a monoatomic thickness of a copper silicide Cu 2 Si layer at a temperature of 500 ° С at the first stage and superposition of 10–20 monoatomic copper layers at the second stage at room temperature, it was possible to ensure the formation of epitaxial copper nanowires oriented along the atomic steps of the substrate and having a conductivity higher than that of known pototypes.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007143736/28A RU2359356C1 (en) | 2007-11-26 | 2007-11-26 | Method for creation of conducting nanowires on surface of semiconductor substrates |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007143736/28A RU2359356C1 (en) | 2007-11-26 | 2007-11-26 | Method for creation of conducting nanowires on surface of semiconductor substrates |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2359356C1 true RU2359356C1 (en) | 2009-06-20 |
Family
ID=41026049
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2007143736/28A RU2359356C1 (en) | 2007-11-26 | 2007-11-26 | Method for creation of conducting nanowires on surface of semiconductor substrates |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2359356C1 (en) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2478239C1 (en) * | 2011-10-12 | 2013-03-27 | Открытое акционерное общество "Концерн "Созвездие" | Method of forming nanosized conducting element |
RU2522844C1 (en) * | 2013-01-23 | 2014-07-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Дальневосточный федеральный университет" | Method of forming epitaxial copper nanostructures on surface of semiconductor substrates |
RU2624836C1 (en) * | 2016-08-11 | 2017-07-07 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный федеральный университет" (ДВФУ) | Method for forming massive of ferromagnetic nanowires on stepped surface of semiconductor substances with buffer copper layer |
RU2628220C1 (en) * | 2016-08-11 | 2017-08-15 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный федеральный университет" (ДВФУ) | METHOD OF NANOWIRES ARRAY ON STEPPED SURFACE Cu2Si FORMATION |
RU2650658C1 (en) * | 2016-12-19 | 2018-04-16 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Multilayer magnetoresistive nanowires |
-
2007
- 2007-11-26 RU RU2007143736/28A patent/RU2359356C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
MATSUDA I. et al. "Electrical resistance of a monoatomic step on crystalline surface". - Physical Review Letters, 2004, v.93, p.236801. * |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2478239C1 (en) * | 2011-10-12 | 2013-03-27 | Открытое акционерное общество "Концерн "Созвездие" | Method of forming nanosized conducting element |
RU2522844C1 (en) * | 2013-01-23 | 2014-07-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Дальневосточный федеральный университет" | Method of forming epitaxial copper nanostructures on surface of semiconductor substrates |
RU2624836C1 (en) * | 2016-08-11 | 2017-07-07 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный федеральный университет" (ДВФУ) | Method for forming massive of ferromagnetic nanowires on stepped surface of semiconductor substances with buffer copper layer |
RU2628220C1 (en) * | 2016-08-11 | 2017-08-15 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный федеральный университет" (ДВФУ) | METHOD OF NANOWIRES ARRAY ON STEPPED SURFACE Cu2Si FORMATION |
RU2650658C1 (en) * | 2016-12-19 | 2018-04-16 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Multilayer magnetoresistive nanowires |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Preinesberger et al. | Formation of dysprosium silicide wires on Si (001) | |
RU2359356C1 (en) | Method for creation of conducting nanowires on surface of semiconductor substrates | |
WO2001018866A1 (en) | Strongly textured atomic ridges and dots | |
Himpsel et al. | Nanowires by step decoration | |
JP6261523B2 (en) | Method for manufacturing epitaxial substrate for electronic device, and method for manufacturing electronic device | |
Baski et al. | The structure of Si (112): Ga-(N× 1) reconstructions | |
JP2011512652A (en) | Manufacture of atomic scale equipment | |
He et al. | Robust nanocapacitors based on wafer-scale single-crystal hexagonal boron nitride monolayer films | |
Wrana et al. | Growth of para-Hexaphenyl Thin Films on Flat, Atomically Clean versus Air-Passivated TiO2 (110) Surfaces | |
US9446949B2 (en) | Vicinal surfaces of polycrystalline structures | |
Chang et al. | Direct Nanoscale Analysis of Temperature-Resolved Growth Behaviors of Ultrathin Perovskites on SrTiO3 | |
WO2020221525A1 (en) | Method for producing a 2d material, 2d material, and the uses thereof | |
Fischer et al. | Formation of atomic Pt chains on Ge (001) studied by scanning tunneling microscopy | |
Uchihashi et al. | One-Dimensional Surface Reconstruction as an Atomic-Scale Template<? format?> for the Growth of Periodically Striped Ag Films | |
Such et al. | PTCDA molecules on a KBr/InSb system: a low temperature STM study | |
Bilousov et al. | Porous GaN and high-κ MgO–GaN MOS diode layers grown in a single step on silicon | |
RU2522844C1 (en) | Method of forming epitaxial copper nanostructures on surface of semiconductor substrates | |
Zandvliet et al. | Self-lacing atom chains | |
Zhou et al. | Formation and evolution of erbium silicide nanowires on vicinal and flat Si (001) | |
Hong et al. | Two‐Dimensional Self‐Organization of an Ordered Au Silicide Nanowire Network on a Si (110)‐16× 2 Surface | |
JP2009059996A (en) | Semiconductor apparatus and method of manufacturing the same | |
Ng et al. | High resolution analysis of self assembled Cu nanowires on vicinal Si (001) | |
Watanabe et al. | Formation and structure analysis of very long ErSi2 nanowires formed on Si (110) substrates | |
Bozhko et al. | Si (hhm) surfaces: Templates for developing nanostructures | |
Sahaf et al. | Self‐assembled Si nanostripe grating at the molecular scale as a template for 1D growth |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20131127 |