RU2598698C1 - METHOD OF MAKING THIN LAYERS OF OXIDES OF Ni, Nb WITH HOLE CONDUCTIVITY FOR MAKING COMPONENTS OF VERY LARGE SCALE INTEGRATED CIRCUITS - Google Patents

METHOD OF MAKING THIN LAYERS OF OXIDES OF Ni, Nb WITH HOLE CONDUCTIVITY FOR MAKING COMPONENTS OF VERY LARGE SCALE INTEGRATED CIRCUITS Download PDF

Info

Publication number
RU2598698C1
RU2598698C1 RU2015125356/28A RU2015125356A RU2598698C1 RU 2598698 C1 RU2598698 C1 RU 2598698C1 RU 2015125356/28 A RU2015125356/28 A RU 2015125356/28A RU 2015125356 A RU2015125356 A RU 2015125356A RU 2598698 C1 RU2598698 C1 RU 2598698C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
making
oxides
film
thin layers
hole conductivity
Prior art date
Application number
RU2015125356/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владислав Игоревич Полькин
Артем Сергеевич Трифонов
Александр Владимирович Лубенченко
Дмитрий Валентинович Лузгин
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Priority to RU2015125356/28A priority Critical patent/RU2598698C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2598698C1 publication Critical patent/RU2598698C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: invention relates to electronic engineering and describes obtaining hole conductivity of an amorphous oxide film on the surface of a metal glass of Ni-Nb system by artificial oxidation. Method of making thin layers of oxides of Ni and Nb with hole conductivity for making components of very large scale integrated circuits provides for production of a thin amorphous film of the composition described by formula NbxNi100-x (where x=40-60 wt%) by magnetron sputtering onto a copper water-cooled substrate at the rate of 50 nm/min at the magnetron power of 70 W and subsequent production of the composition in the thin film described by formula NbxNi100-x (where x=40-60 wt%), hole conduction by annealing in an oxidizing atmosphere at the temperature of 200-300 °C during 30-60 minutes.
EFFECT: proposed is a method of making thin layers of oxides of Ni and Nb with hole conductivity.
1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области электронной техники и описывает возможность получения дырочной проводимости аморфной оксидной пленки на поверхности металлического стекла системы Ni-Nb путем искусственного оксидирования.The invention relates to the field of electronic technology and describes the possibility of obtaining hole conductivity of an amorphous oxide film on the surface of a metal glass of a Ni-Nb system by artificial oxidation.

Одним из перспективных направлений материаловедения является разработка функциональных материалов на основе металлических стекол, в том числе и тонких пленок, обладающих уникальными свойствами. Так, тонкие пленки на основе системы Pd-Zr, полученные магнетронным напылением, обладают высокой коррозионной стойкостью и хорошей биосовместимостью (Кетов C.B., Лузгин Д.В.), пленки системы Ni-Nb обладают высокими трибологическими характеристиками (Caron A., Inoue Α., Лузгин Д.В.) и магнитооптическими свойствами в виде частично прозрачных тонких пленок.One of the promising areas of materials science is the development of functional materials based on metal glasses, including thin films with unique properties. Thus, thin films based on the Pd-Zr system obtained by magnetron sputtering have high corrosion resistance and good biocompatibility (Ketov CB, D. Luzgin), Ni-Nb films have high tribological characteristics (Caron A., Inoue,. , D. Luzgin) and magneto-optical properties in the form of partially transparent thin films.

Анализ патентной информации показал, что наиболее близкими к настоящему изобретению являются следующие патенты:Analysis of patent information showed that the following patents are closest to the present invention:

1. Патент US 20140015021 A1 (опубл. 16.01.2014), описывающий полупроводниковый транзистор, состоящий из трех затворов, имеющих высокую K-диэлектрическую изоляцию и металлический затвор с рабочим напряжением от 4,6 до 5,2 эВ. Недостатком данного изобретения является малая адгезионная прочность полупроводниковых материалов.1. Patent US 20140015021 A1 (publ. 16.01.2014), which describes a semiconductor transistor consisting of three gates with high K-dielectric insulation and a metal gate with an operating voltage of 4.6 to 5.2 eV. The disadvantage of this invention is the low adhesive strength of semiconductor materials.

2. Патент US 4,089,710 (опубл. 16.05.1978), описывающий метод фосфатирования металлической поверхности, путем воздействия кислоты, для изменения типа проводимости. Недостатком данного изобретения является сложность реализации этого метода в связи с необходимостью применения кислоты.2. Patent US 4,089,710 (publ. 05.16.1978), describing the method of phosphating a metal surface by exposure to acid, to change the type of conductivity. The disadvantage of this invention is the difficulty of implementing this method due to the need to use acid.

3. Патент RU 2229755 (опубл. 27.05.2004), описывающий технологию создания омического контакта путем исключения из техпроцесса изготовления тонкопленочного устройства на гидрогенизированных аморфных полупроводниках операции легирования пленки под контакт с применением токсичных и взрывоопасных газов фосфин и диборан, которые заменяются операцией отжига пленки перед нанесением слоя маскирующего диэлектрика и металлических электродов. Недостатком данной технологии является необходимость применения дополнительной технологии нанесения маскирующего диэлектрика.3. Patent RU 2229755 (publ. May 27, 2004), which describes the technology of creating an ohmic contact by excluding from the manufacturing process of a thin-film device on hydrogenated amorphous semiconductors the operation of doping the film under contact with the use of toxic and explosive gases phosphine and diborane, which are replaced by the operation of annealing the film before by applying a layer of masking dielectric and metal electrodes. The disadvantage of this technology is the need to use additional technology for applying a masking dielectric.

4. Патент RU 2435251 (опубл. 02.11.2006), описывающий электрод со слоем тонкой металлической пленки и буферным слоем с высокой работой выхода для применения в фотоэлектрическом приборе. Недостатком данного изобретения является невозможность контролируемого изменения типа проводимости в тонком слое металлической пленки.4. Patent RU 2435251 (publ. 02.11.2006), which describes an electrode with a layer of a thin metal film and a buffer layer with high work function for use in a photovoltaic device. The disadvantage of this invention is the impossibility of a controlled change in the type of conductivity in a thin layer of a metal film.

5. Патент RU 2392688 (опубл. 20.06.2010), описывающий способ создания омических контактов в тонкопленочных устройствах на аморфных нелегированных полупроводниках, заключающийся в осаждении пленки полупроводника на подложку, формировании маскирующего диэлектрического слоя, фотолитографии для вскрытия окон в диэлектрическом слое и напылении металлических электродов с последующей фотолитографией по металлу. Недостатком данного изобретения является необходимость применения дорогостоящей технологии фотолитографии по металлу.5. Patent RU 2392688 (published on 06/20/2010), which describes a method for creating ohmic contacts in thin-film devices on amorphous undoped semiconductors, which consists in depositing a semiconductor film on a substrate, forming a masking dielectric layer, photolithography for opening windows in a dielectric layer and sputtering metal electrodes followed by photolithography for metal. The disadvantage of this invention is the need to use expensive photolithography technology for metal.

Прототипом данного изобретения является технология, описанная в патенте RU 2392688. Основным отличием настоящего изобретения от прототипа является то, что при выборе разных режимов окисления на поверхности аморфной пленки NiNb образуются оксидные слои с различными типами проводимости: при окислении в естественных условиях образуется оксидная пленка с электронным типом проводимости, а при искусственном окислении в атмосфере кислорода и температурах от 250 до 350°С образуется оксидная пленка с дырочным типом проводимости.The prototype of this invention is the technology described in patent RU 2392688. The main difference between the present invention and the prototype is that when different oxidation modes are selected on the surface of an amorphous NiNb film, oxide layers with different types of conductivity are formed: when oxidized under natural conditions, an oxide film with an electronic type of conductivity, and during artificial oxidation in an oxygen atmosphere and temperatures from 250 to 350 ° C, an oxide film with a hole type of conductivity is formed.

Технический результат изобретения - возможность получения в тонкой пленке дырочной проводимости - достигается следующим образом:The technical result of the invention is the possibility of obtaining hole conductivity in a thin film is achieved as follows:

1) Получение тонкой аморфной пленки с составом, описываемым формулой NbxNi100-x (где х=40-60 атомных %), путем магнетронного распыления на медную водоохлаждаемую подложку со скоростью 50 нм/мин при мощности магнетрона 70 Вт;1) Obtaining a thin amorphous film with the composition described by the formula Nb x Ni 100-x (where x = 40-60 atomic%), by magnetron sputtering on a copper water-cooled substrate at a speed of 50 nm / min with a magnetron power of 70 W;

2) Отжиг пленки в окислительной атмосфере при температуре 200-300°С в течение 30-60 минут.2) Annealing the film in an oxidizing atmosphere at a temperature of 200-300 ° C for 30-60 minutes.

Чертежи и иллюстрацииDrawings and illustrations

Фиг. 1 - Рентгенограмма пленки Ni57Nb43. Острые дифракционные пики соответствуют медной подложке.FIG. 1 - X-ray film Ni 57 Nb 43 . Sharp diffraction peaks correspond to a copper substrate.

Фиг. 2 - Семейство локальных вольт-амперных характеристик с разными нагрузками для искусственной оксидной пленки Ni-Nb. Кривые стабильно воспроизводятся при измерениях в разных местах пленки.FIG. 2 - A family of local current-voltage characteristics with different loads for the artificial oxide film Ni-Nb. The curves are stably reproduced during measurements in different places of the film.

Фиг. 3 - Спектры рентгеновской фотоэмиссионной спектроскопии для чистого Nb; линия: Nb 3d. Пунктирная линия: экспериментальные данные; Сплошная линия: расчет.FIG. 3 - X-ray photoemission spectroscopy spectra for pure Nb; line: Nb 3d. Dotted line: experimental data; Solid line: calculation.

Фиг. 4 - Спектры рентгеновской фотоэмиссионной спектроскопии для искусственного оксида Ni-Nb; линия: Nb3d. Пунктирная линия: экспериментальные данные; Сплошная линия: расчет.FIG. 4 - X-ray photoemission spectroscopy spectra for artificial Ni-Nb oxide; line: Nb3d. Dotted line: experimental data; Solid line: calculation.

Изобретение осуществляется следующим образом: тонкую пленку составом, описываемым формулой NbxNi100-x (где х=40-60 ат. %), получают путем магнетронного распыления на медную водоохлаждаемую подложку со скоростью 50 нм/мин при мощности магнетрона 70 Вт. При нагреве до температуры 200-300°С в окислительной атмосфере Nb окисляется полностью до Nb2O5, и весь Ni уходит под оксидированную поверхность. На границе между оксидом и Ni образуется слой с дефицитом электронов, d-зона металла Ni заполнена меньше, чем наполовину. Это приводит к дырочному типу проводимости. Выбор температурного интервала и времени обработки обусловлен типом появляющихся оксидов: ниже температуры 200°С остается естественный оксид ниобия, выше 300°С появляется оксид никеля. Эффект может использоваться при изготовлении элементов сверхбольших интегральных схем в качестве элементов сложных диодов.The invention is carried out as follows: a thin film with the composition described by the formula Nb x Ni 100-x (where x = 40-60 at.%) Is obtained by magnetron sputtering on a copper water-cooled substrate at a speed of 50 nm / min with a magnetron power of 70 watts. When heated to a temperature of 200-300 ° C in an oxidizing atmosphere, Nb is completely oxidized to Nb 2 O 5 , and all of Ni goes under the oxidized surface. At the boundary between the oxide and Ni, an electron-deficient layer forms; the d-band of the Ni metal is less than half full. This leads to hole type conductivity. The choice of the temperature range and processing time is determined by the type of oxides that appear: below 200 ° C, natural niobium oxide remains, above 300 ° C nickel oxide appears. The effect can be used in the manufacture of elements of ultra-large integrated circuits as elements of complex diodes.

Пример.Example.

Сплав состава Ni57Nb43 был получен следующим образом.Alloy composition Ni 57 Nb 43 was obtained as follows.

Для приготовления сплава использовался никель и ниобий чистотой 99,9%. Плавку вели в электрической дуговой печи в атмосфере аргона. Из полученного слитка была вырезана мишень толщиной 2 мм и диаметром 50 мм и подвергнута магнетронному распылению на медную подложку со скоростью 50 нм/мин в пленку толщиной 100 нм при комнатной температуре.Nickel and niobium with a purity of 99.9% were used to prepare the alloy. Melting was conducted in an electric arc furnace in an argon atmosphere. A target 2 mm thick and 50 mm in diameter was cut from the obtained ingot and subjected to magnetron sputtering on a copper substrate at a speed of 50 nm / min into a film 100 nm thick at room temperature.

Исходная структура пленки была полностью аморфной (фиг. 1). После чего методом атомно силовой спектроскопии были измерены локальные вольтамперные характеристики при разном усилии прижима кантилевера (фиг. 2). Использовались стандартные проводящие кантилеверы, покрытые слоем платины с радиусом закругления зондирующего кончика 20 нм. Образцы подверглись отжигу в окислительной атмосфере сухого воздуха при температуре 300°С в течение 30 минут, что привело к существенному изменению локальной вольтамперной характеристики (фиг. 2) и в оксидной пленке наблюдалась дырочная проводимость.The initial film structure was completely amorphous (Fig. 1). After that, the method of atomic force spectroscopy was used to measure local current-voltage characteristics with different cantilever clamping forces (Fig. 2). We used standard conductive cantilevers coated with a platinum layer with a radius of curvature of the probe tip of 20 nm. The samples were annealed in an oxidizing atmosphere of dry air at a temperature of 300 ° C for 30 minutes, which led to a significant change in the local current-voltage characteristics (Fig. 2) and hole conductivity was observed in the oxide film.

Для объяснения различий в типе проводимости рассмотрим, как меняется степень окисления металлов в оксидном слое. Степень окисления определялась с помощью рентгеновской фотоэмиссионной спектроскопии (Фиг. 3-4).To explain the differences in the type of conductivity, we consider how the degree of oxidation of metals in the oxide layer changes. The oxidation state was determined using x-ray photoemission spectroscopy (Fig. 3-4).

При окислении в сухом воздухе при 300°С образуется высший оксид Nb2O5. На границе между оксидом Nb2O5 и металлическим слоем Ni-Nb с дефицитом электронов, в результате чего наблюдается отрицательный сдвиг 3d линии Nb, который может быть интерпретирован в качестве поверхностного сдвига энергии связи. d-зона Ni не полностью заполнена, в результате чего появляется проводимость p-типа. Расчетная толщина оксидного слоя Nb2O5 10,5 нм.When oxidized in dry air at 300 ° C, the higher oxide Nb 2 O 5 is formed . At the boundary between the Nb 2 O 5 oxide and the electron-deficient Ni-Nb metal layer, a negative 3d shift of the Nb line is observed, which can be interpreted as a surface shift of the binding energy. The Ni d-band is not completely filled, as a result of which p-type conductivity appears. The estimated thickness of the oxide layer of Nb 2 O 5 10.5 nm.

Схематически система может рассматриваться как состоящая из двух барьеров Шоттки (Pt/NIOx и NiOx/NiNb металлическая матрица), разделенные туннельным барьером NiNb-оксид. Отсутствие проводимости при напряжениях менее 4 V с обеих полярностей связано с неспособностью тока преодолеть туннельный барьер. С увеличением приложенного напряжения барьер подавляется, что позволяет носителям заряда - дыркам - течь через исследуемую систему.Schematically, the system can be considered as consisting of two Schottky barriers (Pt / NIO x and NiO x / NiNb metal matrix) separated by a tunnel barrier NiNb-oxide. The absence of conductivity at voltages less than 4 V from both polarities is due to the inability of the current to overcome the tunnel barrier. With an increase in the applied voltage, the barrier is suppressed, which allows charge carriers - holes - to flow through the system under study.

Claims (1)

Способ создания тонких слоев оксидов Ni и Nb с дырочной проводимостью для изготовления элементов сверхбольших интегральных схем, заключающийся в получении тонкой аморфной пленки с составом, описываемым формулой NbxNi100-x (где x=40-60 атомных %), путем магнетронного распыления на медную водоохлаждаемую подложку со скоростью 50 нм/мин при мощности магнетрона 70 Вт и последующего отжига пленки в окислительной атмосфере при температуре 200-300°C в течение 30-60 минут. A method of creating thin layers of hole and conductivity of Ni and Nb oxides for the manufacture of elements of ultra-large integrated circuits, which is to obtain a thin amorphous film with the composition described by the formula Nb x Ni 100-x (where x = 40-60 atomic%), by magnetron sputtering a water-cooled copper substrate at a speed of 50 nm / min with a magnetron power of 70 W and subsequent annealing of the film in an oxidizing atmosphere at a temperature of 200-300 ° C for 30-60 minutes.
RU2015125356/28A 2015-06-26 2015-06-26 METHOD OF MAKING THIN LAYERS OF OXIDES OF Ni, Nb WITH HOLE CONDUCTIVITY FOR MAKING COMPONENTS OF VERY LARGE SCALE INTEGRATED CIRCUITS RU2598698C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015125356/28A RU2598698C1 (en) 2015-06-26 2015-06-26 METHOD OF MAKING THIN LAYERS OF OXIDES OF Ni, Nb WITH HOLE CONDUCTIVITY FOR MAKING COMPONENTS OF VERY LARGE SCALE INTEGRATED CIRCUITS

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015125356/28A RU2598698C1 (en) 2015-06-26 2015-06-26 METHOD OF MAKING THIN LAYERS OF OXIDES OF Ni, Nb WITH HOLE CONDUCTIVITY FOR MAKING COMPONENTS OF VERY LARGE SCALE INTEGRATED CIRCUITS

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2598698C1 true RU2598698C1 (en) 2016-09-27

Family

ID=57018511

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015125356/28A RU2598698C1 (en) 2015-06-26 2015-06-26 METHOD OF MAKING THIN LAYERS OF OXIDES OF Ni, Nb WITH HOLE CONDUCTIVITY FOR MAKING COMPONENTS OF VERY LARGE SCALE INTEGRATED CIRCUITS

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2598698C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4529619A (en) * 1984-07-16 1985-07-16 Xerox Corporation Ohmic contacts for hydrogenated amorphous silicon
RU2229755C2 (en) * 2002-07-01 2004-05-27 Рязанская государственная радиотехническая академия Method for producing ohmic contacts in thin-film devices built around amorphous hydrogenated semiconductors
US7535035B2 (en) * 2004-11-10 2009-05-19 Samsung Electronics Co., Ltd. Cross-point nonvolatile memory devices using binary metal oxide layer as data storage material layer and methods of fabricating the same
RU2392688C1 (en) * 2009-05-20 2010-06-20 Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Рязанский государственный радиотехнический университет Method of making ohmic contacts in thin-film devices on amorphous undoped semiconductors
US20110183463A1 (en) * 2007-04-18 2011-07-28 Samsung Electronics Co., Ltd. Thin film transitor substrate and method of manufacturing the same

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4529619A (en) * 1984-07-16 1985-07-16 Xerox Corporation Ohmic contacts for hydrogenated amorphous silicon
RU2229755C2 (en) * 2002-07-01 2004-05-27 Рязанская государственная радиотехническая академия Method for producing ohmic contacts in thin-film devices built around amorphous hydrogenated semiconductors
US7535035B2 (en) * 2004-11-10 2009-05-19 Samsung Electronics Co., Ltd. Cross-point nonvolatile memory devices using binary metal oxide layer as data storage material layer and methods of fabricating the same
US20110183463A1 (en) * 2007-04-18 2011-07-28 Samsung Electronics Co., Ltd. Thin film transitor substrate and method of manufacturing the same
RU2392688C1 (en) * 2009-05-20 2010-06-20 Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Рязанский государственный радиотехнический университет Method of making ohmic contacts in thin-film devices on amorphous undoped semiconductors

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A.S.Trifonov et al., Difference in charge transport properties of Ni-Nb thin films with native and artificial oxide. Journal of Applied Physics, 117, 23.03.2015. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10269564B2 (en) Method of forming a semiconductor device using layered etching and repairing of damaged portions
Banno et al. Diffusivity of Cu ions in solid electrolyte and its effect on the performance of nanometer-scale switch
Rahaman et al. Bipolar resistive switching memory using Cu metallic filament in Ge0. 4Se0. 6 solid electrolyte
Yao et al. Intrinsic resistive switching and memory effects in silicon oxide
FR2981199A1 (en) Microelectronic device for computer, has intermediate layer positioned between electrode and chalcogenide layer, where intermediate layer is layer of metal element with coefficient of thermal conductivity is in specific range
CN102543731A (en) Manufacturing method of quantum point contact
WO2012129176A1 (en) Amorphous multi-component metal/metal oxide nanolaminate metamaterials and devices based thereon
Milano et al. Junction properties of single ZnO nanowires with asymmetrical Pt and Cu contacts
US8022383B2 (en) Two-terminal resistance switching element with silicon, and semiconductor device
TW201937744A (en) Device and method
US20050189041A1 (en) Metal alloys for forming conductive oxide coatings for electrical contacts
Hu et al. Regulating phase change behavior and surface characteristics of Sn15Sb85 thin film by oxygen doping
Wang et al. Mechanism of different switching directions in graphene oxide based RRAM
Chan et al. Electrical conduction of zirconium oxide films
RU2598698C1 (en) METHOD OF MAKING THIN LAYERS OF OXIDES OF Ni, Nb WITH HOLE CONDUCTIVITY FOR MAKING COMPONENTS OF VERY LARGE SCALE INTEGRATED CIRCUITS
Kim et al. CIGS solar cell devices on steel substrates coated with Na containing AlPO4
Sangani et al. Interfacial electrode-driven enhancement of the switching parameters of a copper oxide-based resistive random-access memory device
Tamura et al. Material dependence of switching speed of atomic switches made from silver sulfide and from copper sulfide
Yang et al. Stable bipolar resistance switching behaviour induced by a soft breakdown process at the Al/La0. 7Ca0. 3MnO3 interface
KR20050119557A (en) Hybrid superelastic metal-metal sulfide materials for current collector and anode of battery
Chung et al. Flexible resistive switching memory devices composed of solution-processed GeO2: S films
Rybina et al. Effect Of The Etching Regimes On The Memristor Properties Of Al 2 O 3 Thin Layers
TW202025152A (en) Selector and method for manufacturing the same
Ge et al. Towards Universal Non-Volatile Resistance Switching in Non-metallic Monolayer Atomic Sheets
Mihailovic et al. Memristive behaviour of electrodeposited bismuth selenide

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20200627