RU2692406C2 - Способ формирования упорядоченного массива нанокристаллов или нанокластеров кремния в диэлектрической матрице - Google Patents

Способ формирования упорядоченного массива нанокристаллов или нанокластеров кремния в диэлектрической матрице Download PDF

Info

Publication number
RU2692406C2
RU2692406C2 RU2017144640A RU2017144640A RU2692406C2 RU 2692406 C2 RU2692406 C2 RU 2692406C2 RU 2017144640 A RU2017144640 A RU 2017144640A RU 2017144640 A RU2017144640 A RU 2017144640A RU 2692406 C2 RU2692406 C2 RU 2692406C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
nanoclusters
silicon
nanocrystals
matrix
sih
Prior art date
Application number
RU2017144640A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2017144640A3 (ru
RU2017144640A (ru
Inventor
Денис Михайлович Жигунов
Ирина Александровна Каменских
Александр Афанасьевич Попов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ)
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 бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ)
Priority to RU2017144640A priority Critical patent/RU2692406C2/ru
Publication of RU2017144640A3 publication Critical patent/RU2017144640A3/ru
Publication of RU2017144640A publication Critical patent/RU2017144640A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2692406C2 publication Critical patent/RU2692406C2/ru

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • H01L21/205

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)
  • Formation Of Insulating Films (AREA)

Abstract

Использование: для получения наноразмерных композитных структур. Сущность изобретения заключается в том, что способ формирования упорядоченного массива нанокристаллов или нанокластеров кремния в диэлектрической матрице включает формирование на подложке многослойной пленки, состоящей из чередующихся слоев SiNи SiN, где 0<х<4/3, методом низкочастотного плазмохимического осаждения из газовой фазы с использованием смеси моносилана (SiH) и аммиака (NH) с объемным соотношением [NH]/[SiH] в диапазоне от 1 до 5 при давлении в камере 100-250 Па, температуре подложки 20-400°С и удельной мощности разряда 0,02-0,2 Вт/смс последующим отжигом полученной многослойной пленки в инертной атмосфере при температуре в диапазоне 800-1150°С не менее 5 минут с получением многослойной матрицы с нанокристаллами или нанокластерами. Технический результат: обеспечение возможности формирования массивов нанокристаллов/нанокластеров Si с контролируемыми размерами и плотностью упаковки в матрице нитрида кремния. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Область техники
Изобретение относится к области получения наноразмерных композитных структур на основе кремния и может быть использовано в опто- и наноэлектронике, а также в фотовольтаике.
Уровень техники
В отличие от объемного кремния, наноразмерные кремниевые структуры обладают эффективной люминесценцией при комнатной температуре вследствие квантового размерного эффекта, что является перспективным с точки зрения создания на их основе как излучателей, так и фотоприемников в видимом и ближнем ИК диапазонах спектра. Среди всех низкоразмерных кремниевых наноструктур наибольший интерес представляют кремниевые нанокластеры - нульмерные объекты, для которых квантовый размерный эффект проявляется наиболее сильно. Важными технологическими параметрами ансамбля кремниевых нанокластеров, которые будут непосредственно влиять на рабочие характеристики соответствующих устройств, являются их средний размер (и его дисперсия), а также степень упорядоченности нанокластеров. Интерес, таким образом, в первую очередь представляют такие методы формирования нанокластеров, которые позволяют контролировать независимым образом как средний размер нанокластеров при сохранении минимальной дисперсии, так и плотность нанокластеров кремния в матрице.
Известны способы получения кремниевых нанокластеров как внедренных в различные твердотельные матрицы, так и в виде дисперсии наночастиц. Так, из уровня техники известно решение по патенту RU 2415079 С1 (опубликовано 27.03.2011, кл. С01В 33/02, В82В 3/00), в котором описывается способ получения дисперсии стабилизированных кластеров кремния с размерами частиц от 1 до 12 нм для использования в оптоэлектронике. Преимуществом метода является узкое распределение частиц по размерам и обеспечение возможности получения частиц заданного размера.
Для тех задач, когда требуется получить массив нанокластеров кремния в твердотельной матрице, применяются, как правило, методы осаждения кремнийсодержащих пленок распылением (например, магнетронным) соответствующих мишеней или плазмохимическим осаждением из кремнийсодержащего газа, либо имплантация ионов кремния в диэлектрические матрицы (например, SiO2) с их последующим отжигом. Получить ансамбль нанокристаллов кремния можно также наноструктурированием подложки кристаллического кремния. Известен, например, способ формирования решетки нанокластеров кремния (патент RU 2214359 С1, опубликовано 20.10.2003, кл. В82В 3/00, С30В 29/06, С30В 33/00), включающий структурирование поверхности подложки травлением с формированием решетки из столбиков кремния и последующее формирование решетки из нанокластеров на такой подложке путем термического окисления ее структурированной поверхности. Техническим результатом данного известного решения является образование решетки из нанокластеров кремния внутри пленки двуокиси кремния.
С точки зрения приборных применений диоксид кремния может не всегда являться подходящей матрицей для нанокластеров кремния и может быть заменен, например, на нитрид кремния, являющийся одним из ключевых материалов современной микроэлектроники. Из уровня техники известно решение по патенту RU 2292606 С2 (опубликовано 27.01.2007, кл. H01L 21/205), в котором предлагается способ получения квантоворазмерных структур на основе аморфных кремниевых нанокластеров, встроенных в матрицу нитрида кремния. Для этого используют разложение смеси моносилана и источника азота в плазме тлеющего разряда с образованием продуктов реакции и осаждение из них квантоворазмерных структур на основе аморфных кремниевых нанокластеров. Этот способ, однако, не может обеспечить высокую объемную плотность нанокластеров, а также их однородность по размерам и упорядоченное расположение.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ формирования упорядоченных массивов нанокристаллов/нанокластеров кремния, основанный на принципе создания сверхрешетки из чередующихся обогащенных кремнием слоев субоксида кремния SiOx и стехиометрических барьерных слоев SiO2 и их последующем отжиге, приводящем к разделению фаз в нестехиометрическом слое и самоорганизации нанокластеров кремния (WO 2002061815 А1, опубликовано 08.08.2002, кл. С23С 16/30, С23С 14/06, H01L 33/08, H01L 33/34). Преимуществом такого подхода является, во-первых, контроль размеров нанокластеров за счет толщины соответствующих обогащенных кремнием слоев, а также независимое управление плотностью нанокластеров в слоях SiOx за счет изменения параметра стехиометрии х в процессе осаждения. Данный способ позволяет сформировать плотноупакованный массив нанокристаллов/нанокластеров Si в матрице SiO2 за счет осаждения чередующихся слоев SiOx с толщинами от 0.5 до 20 нм, разделенных барьерами из диоксида кремния. Массив кремниевых нанокристаллов/нанокластеров в матрице SiO2 формируется в процессе последующего отжига таких многослойных структур при температуре в диапазоне от 800 до 1100°С. К недостаткам данного метода можно отнести крайне низкую проводимость матрицы диоксида кремния, что ограничивает возможные применения полученных тонких пленок в устройствах, подразумевающих протекание электрического тока через массив кремниевых нанокристаллов/нанокластеров (солнечные элементы, светодиоды и т.п.).
Раскрытие изобретения
Техническая проблема, решаемая посредством заявляемого изобретения, заключается в устранении недостатков, присущих перечисленным выше аналогам.
Задачей, решаемой настоящим изобретением, является разработка нового способа получения многослойных тонких пленок из обогащенных кремнием нестехиометрических слоев SiNx, разделенных стехиометрическими (или близкими к стехиометрическим) барьерными слоями Si3N4 с целью формирования массивов нанокристаллов/нанокластеров Si с контролируемыми размерами и плотностью упаковки в матрице нитрида кремния.
Техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемого изобретения, является создание упорядоченного массива кремниевых нанокристаллов/нанокластеров в многослойной матрице нитрида кремния в процессе самоорганизации в результате отжига тонких пленок SiNx/Si3N4 при температуре в диапазоне от 800 до 1150°С. Как и в случае аналогичных многослойных SiOx/SiO2 структур, преимуществом данного метода (по сравнению с осаждением и последующим отжигом монослоя SiNx) является возможность независимого прецизионного контроля размеров, образующихся нанокристаллов/нанокластеров Si за счет толщины осаждаемых слоев SiNx, а также их концентрации (объемной плотности) в слое за счет вариации параметра стехиометрии х.
Получение упорядоченного массива нанокристаллов или нанокластеров кремния в диэлектрической матрице в рамках заявляемого изобретения предполагает послойное размещение нанокластеров или нанокристаллов или упорядоченное размещение в одном направлении - направлении роста слоев, при этом нанокластеры или нанокристаллы в отдельном слое могут быть размещены хаотично.
Помимо упорядоченного размещения изобретение обеспечивает высокую степень однородности нанокристаллов или нанокластеров кремния за счет ограничения их размеров в направлении роста слоев SiNx при помощи барьерных слоев Si3N4.
Техническая проблема решается за счет способа формирования упорядоченного массива нанокристаллов/нанокластеров кремния в диэлектрической матрице,
включающего нанесение на подложку чередующихся слоев SiNx и Si3N4, где 0<х<4/3 методом низкочастотного (3-200 кГц) плазмохимического осаждения из газовой фазы с использованием смеси моносилана (SiH4) и аммиака (NH3) при температуре в интервале 20-400°С, давлении от 100 до 250 Па, и удельной мощности разряда 0.02-0.2 Вт/см2 как при непрерывном, так и пульсирующем режимах горения низкочастотного разряда, с последующим отжигом полученной многослойной пленки в инертной атмосфере при температуре в диапазоне 800-1150°С не менее 5 минут с получением многослойной матрицы с нанокристаллами или нанокластерами.
Состав осаждаемых слоев нитрида кремния может изменяться за счет вариации соотношения потоков газов k=[NH3]/[SiH4], при этом малые значения k ~ 1 соответствуют нестехиометрическим слоям SiNx, а достаточно большие k ≥ 5 - близким к полностью стехиометрическим слоям (Si3N4).
Толщины слоев многослойной пленки определяются временем горения разряда и составляют от 1 до 10 нм.
В качестве подложки может быть выбран, например, кварц, кремний, стекло или сапфир, или любая другая неметаллическая подложка, выдерживающая необходимую температуру.
Конкретные технологические параметры могут подбираться для достижения требуемых характеристик формируемого композитного материала. Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 показаны рентгенограммы многослойной пленки SiNx/Si3N4, отожженной при различных температурах.
На Фиг. 2 показаны кривые рентгеновской рефлектометрии для многослойных периодических структур SiNx/Si3N4 в зависимости от температуры отжига.
На фиг. 3 представлена фотография многослойной пленки после отжига при температуре 1150°С, полученная с помощью просвечивающего электронного микроскопа.
Осуществление изобретения
В настоящем изобретении использованы следующие термины и определения.
Нанокластеры - кластеры из атомов с размерами от единиц до десятков нм, находящиеся либо в аморфном, либо в кристаллическом состоянии.
Нанокристаллы - кристаллические нанокластеры.
Ниже представлено подробное описание заявляемого способа, не ограничивающее сущность изобретения, представленную в независимом пункте формулы, а лишь демонстрирующее возможность осуществления способа с достижением заявленного технического результата.
Многослойная пленка SiNx/Si3N4 может быть получена методом низкочастотного плазмохимического осаждения из газовой фазы с использованием смеси моносилана и аммиака (см. Т.Т. Корчагина, Д.В. Марин, В.А. Володин, А.А. Попов, М. Vergnat, «Структура и оптические свойства сформированных с применением низкочастотного плазмохимического осаждения пленок SiHx:H, содержащих нанокластеры кремния», Физика и техника полупроводников, 2009, том 43, вып. 11).
Для самоорганизации кремниевых нанокристаллов/нанокластеров необходим отжиг тонких пленок, содержащих слои с избыточным содержанием кремния, при температурах обычно свыше 800°С. (см. Д.М. Жигунов, Н.В. Швыдун, А.В. Емельянов, В.Ю. Тимошенко, П.К. Кашкаров, В.Н. Семиногов, «Фотолюминесцентное исследование структурной эволюции аморфных и кристаллических нанокластеров кремния при термическом отжиге слоев субоксида кремния различной стехиометрии», Физика и техника полупроводников, 2012, том 46, вып. 3). На Фиг. 1 показаны рентгенограммы многослойной пленки SiNx/Si3N4, отожженной при различных температурах от 900 до 1150°С. Видно, что при температуре отжига 900°С присутствует только широкая полоса, соответствующая аморфным нанокластерам кремния. В то же время, при более высоких температурах отжига наблюдается более узкая линия с максимумом, положение которого в точности соответствует дифракционному пику для семейства плоскостей (111) в кристаллическом кремнии при используемой энергии рентгеновского излучения (22 кэВ), что указывает на образование нанокристаллов Si.
На фиг. 2 показаны кривые рентгеновской рефлектометрии для многослойных периодических структур SiNx/Si3N4 в зависимости от температуры отжига. Наблюдаемый локальный максимум (Брэгговский пик) около 1.44° соответствует внутреннему периоду структуры около 3.1 нм, что указывает на сохранение сверхрешетки (а, следовательно, и контроля размеров нанокристаллов Si) в пленках SiNx/Si3N4 после отжига.
Пример осуществления изобретения
Упорядоченный массив нанокристаллов кремния в матрице нитрида кремния был получен путем осаждения на подложку монокристаллического кремния КДБ12 чередующихся слоев SiNx и Si3N4 методом плазмохимического осаждения из газовой фазы с использованием смеси моносилана (SiH4) и аммиака (NH3) в соотношении [NH3]/[SiH4]=1.2 для SiNx и [NH3]/[SiH4]=5 для Si3N4 при давлении в камере 250 Па, температуре подложки 380°С и удельной мощности разряда 0.2 Вт/см2. Средняя толщина стехиометрических слоев - 2.4 нм, средняя толщина нестехиометрических слоев - 2.6 нм. Общее число пар слоев - 20. Температура отжига осажденной многослойной пленки - 1150°С. На Фиг. 3 показана фотография многослойной пленки после отжига при температуре 1150°С, полученная с помощью просвечивающего электронного микроскопа. Темные полосы соответствуют слоям Si3N4, светлые - слоям SiNx. Кружками выделены области, соответствующие нанокристаллам или нанокластерам кремния, их средний диаметр составляет 2.5±0.4 нм.

Claims (2)

1. Способ формирования упорядоченного массива нанокристаллов или нанокластеров кремния в диэлектрической матрице, включающий формирование на подложке многослойной пленки, состоящей из чередующихся слоев SiNx и Si3N4, где 0<х<4/3, методом низкочастотного плазмохимического осаждения из газовой фазы с использованием смеси моносилана (SiH4) и аммиака (NH3) с объемным соотношением [NH3/[SiH4] в диапазоне от 1 до 5 при давлении в камере 100-250 Па, температуре подложки 20-400°С и удельной мощности разряда 0,02-0,2 Вт/см2 с последующим отжигом полученной многослойной пленки в инертной атмосфере при температуре в диапазоне 800-1150°С не менее 5 минут с получением многослойной матрицы с нанокристаллами или нанокластерами.
2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что плазмохимическое осаждение проводят при частоте разряда 3-200 кГц.
RU2017144640A 2017-12-19 2017-12-19 Способ формирования упорядоченного массива нанокристаллов или нанокластеров кремния в диэлектрической матрице RU2692406C2 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017144640A RU2692406C2 (ru) 2017-12-19 2017-12-19 Способ формирования упорядоченного массива нанокристаллов или нанокластеров кремния в диэлектрической матрице

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017144640A RU2692406C2 (ru) 2017-12-19 2017-12-19 Способ формирования упорядоченного массива нанокристаллов или нанокластеров кремния в диэлектрической матрице

Publications (3)

Publication Number Publication Date
RU2017144640A3 RU2017144640A3 (ru) 2019-06-20
RU2017144640A RU2017144640A (ru) 2019-06-20
RU2692406C2 true RU2692406C2 (ru) 2019-06-24

Family

ID=66947255

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017144640A RU2692406C2 (ru) 2017-12-19 2017-12-19 Способ формирования упорядоченного массива нанокристаллов или нанокластеров кремния в диэлектрической матрице

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2692406C2 (ru)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002110663A (ja) * 2000-09-29 2002-04-12 Hitachi Ltd オルガノシリコンナノクラスター薄膜のプラズマ照射によるシリコンおよび酸化シリコン薄膜の製造方法
WO2002061815A1 (en) * 2001-01-31 2002-08-08 MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. A method of manufacturing a semiconductor structure comprising clusters and/or nanocrystals of silicon and a semiconductor structure of this kind
US6444545B1 (en) * 2000-12-19 2002-09-03 Motorola, Inc. Device structure for storing charge and method therefore
RU2214359C1 (ru) * 2002-09-05 2003-10-20 Санкт-Петербургский государственный институт точной механики и оптики (технический университет) Способ формирования решетки нанокластеров кремния на структурированной подложке
RU2292606C2 (ru) * 2004-12-14 2007-01-27 Институт микроэлектроники и информатики РАН Способ получения квантоворазмерных структур на основе аморфных кремниевых нанокластеров, встроенных в диэлектрическую матрицу

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002110663A (ja) * 2000-09-29 2002-04-12 Hitachi Ltd オルガノシリコンナノクラスター薄膜のプラズマ照射によるシリコンおよび酸化シリコン薄膜の製造方法
US6444545B1 (en) * 2000-12-19 2002-09-03 Motorola, Inc. Device structure for storing charge and method therefore
WO2002061815A1 (en) * 2001-01-31 2002-08-08 MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. A method of manufacturing a semiconductor structure comprising clusters and/or nanocrystals of silicon and a semiconductor structure of this kind
RU2214359C1 (ru) * 2002-09-05 2003-10-20 Санкт-Петербургский государственный институт точной механики и оптики (технический университет) Способ формирования решетки нанокластеров кремния на структурированной подложке
RU2292606C2 (ru) * 2004-12-14 2007-01-27 Институт микроэлектроники и информатики РАН Способ получения квантоворазмерных структур на основе аморфных кремниевых нанокластеров, встроенных в диэлектрическую матрицу

Also Published As

Publication number Publication date
RU2017144640A3 (ru) 2019-06-20
RU2017144640A (ru) 2019-06-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Reddy et al. Effect of film thickness on the structural morphological and optical properties of nanocrystalline ZnO films formed by RF magnetron sputtering
US11004990B2 (en) Nanometer sized structures grown by pulsed laser deposition
Ciurea et al. Tuning the properties of Ge and Si nanocrystals based structures by tailoring the preparation conditions Review.
Ma et al. Effect of post-annealing treatment on the microstructure and optical properties of ZnO/PS nanocomposite films
Coyopol et al. Silicon excess and thermal annealing effects on structural and optical properties of co-sputtered SRO films
Cha et al. Controlled growth of vertically aligned ZnO nanowires with different crystal orientation of the ZnO seed layer
Samanta et al. SiO x nanowires with intrinsic nC-Si quantum dots: The enhancement of the optical absorption and photoluminescence
Kumar et al. Effect of power on the growth of nanocrystalline silicon films
Al-Douri et al. Structural and optical investigations of In doped ZnO binary compound
Ali Origin of photoluminescence in nanocrystalline Si: H films
Yoo et al. Fabrication and Optical Characteristics of Position‐Controlled ZnO Nanotubes and ZnO/Zn0. 8Mg0. 2O Coaxial Nanotube Quantum Structure Arrays
RU2692406C2 (ru) Способ формирования упорядоченного массива нанокристаллов или нанокластеров кремния в диэлектрической матрице
Rosli et al. Growth of ZnO microstructure on porous silicon
KR20160012727A (ko) 3차원 플라즈모닉 나노 구조체 및 그 제조방법
Mochalov et al. Plasma-chemical deposition of gallium oxide layers by oxidation of gallium in the hydrogen-oxygen mixture
Lee et al. Synthesis and photoluminescence properties of hydrothermally-grown ZnO nanowires on the aerosol-deposited AZO seed layer
Riabinina et al. Luminescent silicon nanostructures synthesized by laser ablation
KR100698014B1 (ko) 발광 소자용 실리콘 질화막, 이를 이용한 발광 소자 및발광 소자용 실리콘 질화막의 제조방법
Pushkariov et al. Synthesis and characterization of ZnO nanorods obtained by catalyst-free thermal technique
Ursaki et al. Optical characterization of hierarchical ZnO structures grown with a simplified vapour transport method
Shabannia et al. Effects of growth temperature on structural and optical properties of ZnO thin films grown chemically on porous silicon substrate
Miandal et al. Rf power dependence of ZnO thin film deposited by RF powered magnetron sputtering system
Wu et al. Growth and characterization of epitaxial ZnO nanowall networks using metal organic chemical vapor deposition
Khomchenko et al. White light emission of ZnO-Cu nano-films
Tian et al. Nanopore diameter-dependent properties of thin three-dimensional ZnO layers deposited onto nanoporous silicon substrates