МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ НАНОПЛЕНКИ НА МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОМ КРЕМНИИ: РОСТ, СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ
https://doi.org/10.17073/1609-3577-2015-2-81-94
Аннотация
Тонкопленочная система металл — кремний является неизоструктурной и, кроме того, характеризуется ярко выраженными процессами взаимодиффузии и химическими реакциями. Поэтому рост металлических нанопленок на кремнии сопровождается высоким уровнем дефектности пленки, особенно ее границы раздела с подложкой. Также присутствуют напряжения и образуется переходный слой, состоящий из сплавов или соединений (силицидов). Рассмотрены теоретические представления и дан обзор экспериментальных результатов по росту и свойствам металлических нанопленок (включая многослойные) на кремнии, а также краткий обзор их применения. Пленки состоят как из атомно−тонких или субквантово−размерных, так и из квантово−размерных слоев. Предложен процесс низкотемпературного роста пленки, основанный на замораживании растущих слоев в процессе осаждения, путем поддержания пониженной температуры подложки и использования атомного пучка с пониженной тепловой мощностью. В этом процессе использована специальная геометрия системы осаждения, в которой расстояние между источником и подложкой сопоставимо или меньше их размеров. Кроме того, применена временнáя последовательность осаждения, которая обеспечивает поддержание пониженной температуры поверхности подложки за счет длительной выдержки между порциями осаждения. Такой рост атомно−тонких пленок и многослойных нанопленок предотвращает взаимодиффузию между слоями, ослабляет трехмерный рост и усиливает по отношению к этим процессам латеральный слоевой рост.
Ключевые слова
металл,
кремний,
силицид,
пленка,
монокристаллическая подложка,
взаимодиффузия,
реакция,
рост,
молекулярно−лучевой поток,
низкотемпературный рост,
методы роста
При поддержке: Комплексная программа фундаментальных исследований «Дальний Восток», В. В. Павлов, П. А. Усачев (ФТИ РАН им. Ф. А. Иоффе)
Об авторе
Н. И. Плюснин
Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН
Россия
Россия
доктор физ.−мат. наук, доцент, главный научный сотрудник,
ул. Радио, д. 5, Владивосток, 690041
Список литературы
1. Likharev, K. K. Electronics below 10 nm. In.: Nano and giga challenges in microelectronics / K. K. Likharev. − Amsterdam : Elsivier, 2003. − P. 27—68.
2. Iwai, H. Future semiconductor manufacturing−challenges and opportunities / H. Iwai // IEDM Technical Digest. − 2004. − P. 1—16.
3. Nissim, Y. I. Heterostructures on silicon: one step further with silicon. In: NATO ASI Series E: Applied Science / Ed. Y. I. Nissim, E. Rosencher. − Dordrecht (Nl) : Kluwer Academic Publishers, 1989. − V. 160. − 368 p. DOI: 10.1007/978−94−009−0913−7
4. Cressler, J. D. The silicon heterostructure handbook: materials, fabrication, devices, circuits, and applications of SiGe and Si strained−layer epitaxy / J. D. Cressler. − N. Y. (NY): CRC Press, 2005. − 1210 p.
5. Derrien, J. Semiconducting silicide−silicon heterostructures: growth, properties and applications / J. Derrien, J. Chevrier, V. le Thanh, J. E. Mahan // Appl. Surface Sci. − 1992. − V. 56–58, Pt. 1. – P. 382–393.
6. Jansen, R. Silicon spintronics / R. Jansen // Nature Materials. − 2012. − V. 11. − P. 400—408.
7. Chappert, C. The emergence of spin electronics in data storage / C. Chappert, A. Fert, F. N. van Dau // Nature Materials. − 2007. − V. 6. − P. 813—823.
8. Dash, S. P. Electrical creation of spin polarization in silicon at room temperature / S. P. Dash, S. Sharma, R. S. Patel, M. P. de Jong, R. Jansen // Nature. − 2009. − V. 462. − P. 491—494.
9. Polman, A. Photonic materials: Teaching silicon new tricks / A. Polman // Nature Materials. − 2002. − V. 1, N 1. − P. 10—12.
10. Dai, D. Passive technologies for future large−scale photonic integrated circuits on silicon: polarization handling, light non−reciprocity and loss reduction / D. Dai, J. Bauters, J. E. Bowers // Light: Science and Applications. − 2012. − V. 1, N 3. − P. 1—12.
11. Chen, G. Predictions of CMOS compatible on−chip optical interconnect / G. Chen, H. Chen, M. Haurylau, N. A. Nelson, D. H. Albonesi, P. M. Fauchet, E. G. Friedman // Integration, the VLSI Journal. − 2007. − V. 40. − P. 434—446.
12. Sorger, V. J. Toward integrated plasmonic circuits / V. J. Sorger, R. F. Oulton, R. M. Ma, X. Zhang // MRS bull. − 2012. − V. 37, N 8. − P. 728—738.
13. Fert, A. Interlayer coupling and magnetoresistance in multilayers / A. Fert, P. Bruno // Ultrathin magnetic structures II. − Berlin ; Heidelberg : Springer, 1994. − P. 82—189.
14. Parkin, S. S. P. Giant Magnetoresistance / S. S. P. Parkin // Ann. Rev. of Mater. Res. − 1995. − V. 25, N 1. − P. 357—388.
15. Nickel, J. Magnetoresistance overview / J. Nickel – Palo Alto (CA, USA): Hewlett−Packard Laboratories, Technical Publications Department. − 1995. − P. 11.
16. Hiraki, A. Low−temperature migration of silicon in metal films on silicon substrates studied by backscattering techniques / A. Hiraki, E. Lugujjo // J. Vac. Sci. and Technol. − 1972. − V. 9, N 1. − P. 155—158.
17. Усков, В. А. Низкотемпературная диффузия примесей в кремнии / В. А. Усков, Е. А. Ерофеева, Н. А. Линева // Легирование полупроводников. − М. : Наука, 1982. − С. 110—114.
18. Зубарев, Е. Н. Реакционная диффузия в наноразмерных слоистых системах металл/кремний / Е. Н. Зубарев // Успехи физических наук. − 2011. − Т. 181, № 5. − С. 491—520.
19. Aballe, L. Probing interface electronic structure with overlayer quantum−well resonances: Al/Si (111) / L. Aballe, C. Rogero, P. Kratzer, S. Gokhale, K. Horn // Phys. Rev. Lett. − 2001. − V. 87, N 15. − P. 156801 (1—4).
20. Demuth, J. E. Phase separation on an atomic scale: The formation of a novel quasiperiodic 2D structure / J. E. Demuth, U. K. Koehler, R. J. Hamers, P. Kaplan // Phys. Rev. Lett. − 1989. − V. 62, N 6. − P. 641—644.
21. Gomer, R. Approaches to the theory of chemisorption / R. Gomer // Acc. Chem. Res. − 1975. − V. 8, N 12. − P. 420—427. DOI: 10.1021/ar50096a005
22. Chang, Y. J. Diffusion layers and the Schottky−barrier height in nickel silicide—silicon interfaces / Y. J. Chang, J. L. Erskine // Phys. Rev. B. − 1983. − V. 28, N 10. − P. 5766—5773.
23. Brillson, L. J. The structure and properties of metal–semiconductor interfaces / L. J. Brillson // Surface Sci. Rep. − 1982. − V. 2, N 2. − P. 123—326.
24. Bisi, O. Atomic intermixing and electronic interaction at the Pd–Si (111) interface. / O. Bisi, K. N. Tu // Phys. Rev. Lett. − 1984. − V. 52, N 18. − P. 1633—1636.
25. Calandra, C. Electronic properties on silicon−transition metal interface compounds / C. Calandra, O. Bisi, G. Ottaviani // Surface Sci. Rep. 1985. − V. 4, N 5. − P. 271—364.
26. Hong, Z. H. Effect of substrate temperature and incident energy for alloyzation of Co onto Cu (001) substrate / Z. H. Hong, S. F. Hwang, T. H. Fang // Adv. Mater. Res. − 2008. V. 47−50. − P. 375—378.
27. Kim, S. P. Surface alloy formation of Co on Al surface: Molecular dynamics simulation / S. P. Kim, Y. C. Chung, S. C. Lee, K. R. Lee, K. H. Lee // J. Appl. Phys. − 2003. − V. 93, N 10. − P. 8564—8566.
28. Nurminen, L. Reconstruction and intermixing in thin Ge layers on Si (001) / L. Nurminen, F. Tavazza, D. P. Landau, A. Kuronen, K. Kaski // Phys. Rev. B. − 2003. − V. 68, N 8. − P. 085326 (1—10).
29. Nacer, B. Deposition of metallic clusters on a metallic surface at zero initial kinetic energy: Evidence for implantation and site exchanges / B. Nacer, C. Massobrio, C. Félix // Phys. Rev. B. − 1997. − V. 56, N 16. − P. 10590—10595.
30. MacLeod, J. M. Modified Stranski—Krastanov growth in Ge/Si heterostructures via nanostenciled pulsed laser deposition / J. M. MacLeod, C. V. Cojocaru, F. Ratto, C. Harnagea, A. Bernardi, M. I. Alonso, F. Rosei // Nanotechnology. − 2012. − V. 23, N 6. − P. 065603 (1—9).
31. Plusnin, N. I. Elevated rate growth of nanolayers of Crand CrSi2 on Si(111) / N. I. Plusnin, A. P. Milenin, B. M. Iliyashenko, V. G. Lifshits // Physics of Low−Dimensional Structures. − 2002. − N 9/10. − P. 129—146.
32. Plusnin, N. I. The growth and conductivity of transition metal nanolayers on silicon / N. I. Plusnin, B. M. Il’yashenko, A. P. Milenin // Physics of Low−Dimensional Structures. − 2002. − N 11/12. − P. 39—48.
33. Пат. 2486279 (РФ). Способ формирования ультратонкой пленки / Н. И. Плюснин, 2013.
34. Zhang, Z. Atomistic processes in the early stages of thin− film growth / Z. Zhang, M. G. Lagally // Science. − 1997. − V. 276, N 5311. − P. 377—383. DOI: 10.1126/science.276.5311.377
35. Plusnin, N. I. Formation of Co ultrathin films on Si (111): Growth mechanisms, electronic structure and transport / N. I. Plusnin, V. M. Il’yashenko, S. A. Kitan, S. V. Krylov // Appl. Surface Sci. − 2007. − V. 253, N 17. − P. 7225—7229.
36. Plusnin, N. I. Optical and magnetic properties of atomically thin Fe film on Si(001) / N. I. Plusnin, V. M. Iliyashenko, S. A. Kitan’, S. V. Krylov, N. A. Tarima, R. V. Pisarev, V. V. Pavlov // Proc. of 17th Int. Symp. Nanostructures: Physics and Technology. − St. Peterburg : Ioffe Institute, 2009. − P. 200—201.
37. Fert, A. Nobel lecture: Origin, development, and future of spintronics / A. Fert // Rev. Modern Phys. − 2008. − V. 80, N 4. − P. 1517—1530.
38. Wadley, H. N. Atomic assembly of giant magnetoresistive multilayers / H. N. Wadley, X. Zhou, R. A. Johnson // Mater. Res. Soc. Symp. Proc. − Cambridge: Cambridge University Press, 2001. − V. 672. − P. O4.1.1—O4.1.14.
39. Плюснин, Н. И. Структурно−фазовые превращения на начальных стадиях конденсации меди на Si(001) / Н. И. Плюснин, В. М. Ильященко, С. А. Китань, Н. А. Тарима // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. − 2011. − № 8. − С. 29—40.
40. Плюснин, Н. И. Рост на подложке Si(100)2×1, структурные и магнитные свойства структур на основе нанослоев Fe, Co и Cu / Н. И. Плюснин, В. М. Ильященко, П. А. Усачев, В. В. Павлов // Журн. техн. физики. − 2015. − Т. 85, вып. 10. − С. 87—93.
41. Nakatsuka, O. Electrical properties of epitaxial NiSi2/Si contacts with extremely flat interface formed in Ni/Ti/Si (001) system / O. Nakatsuka, A. Suzuki, A. Sakai, M. Ogawa, S. Zaima // Microelectronic engineering. − 2006. − V. 83, N 11. − P. 2272—2276.
42. Jang, M. Characteristics of Schottky diode and Schottky barrier Metal−Oxide−Semiconductor field−effect transistors / M. Jang, Y. Kim, M. Jun, S. Lee // J. Semiconductor Technol. and Sci. − 2005. − V. 5, N 2. − P. 69—76.
43. Weber, W. M. Silicon−nanowire transistors with intruded nickel−silicide contacts / W. M. Weber, L. Geelhaar, A. P. Graham, E. Unger, G. S. Duesberg, M. Liebau, W. Pamler, C. Che`ze, H. Riechert, P. Lugli, F. Kreupl // Nano Lett. − 2006. − V. 6, N 12. − P. 2660—2666.
44. Landman, U. Metal−semiconductor nanocontacts: Silicon nanowires / U. Landman, R. N. Barnett, A. G. Scherbakov, P. Avouris // Phys. Rev. Lett. − 2000. − V. 85, N 9. − P. 1958—1961.
45. Jansen, R. The spin−valve transistor: a review and outlook / R. Jansen // J. Phys. D: Appl. Phys. − 2003. − V. 36, N 19. − P. R289—R308.
46. Monsma, D. J. Development of the spin−valve transistor / D. J. Monsma, R. Vlutters, T. Shimatsu, E. G. Keim, R. H. Mollema, J. C. Lodder // IEEE Transactions on Magnetics. − 1997. − V. 33, N 5. − P. 3495—3499.
47. Kimura, T. Spin−dependent boundary resistance in the lateral spin−valve structure / T. Kimura, J. Hamrle, Y. Otani, K. Tsukagoshi, Y. Aoyagi // Appl. Phys. Let. − 2004. − V. 85, N 16. − P. 3501—3503.
48. Xiao, M. Electrical detection of the spin resonance of a single electron in a silicon field−effect transistor / M. Xiao, I. Martin, E. Yablonovitch, H. W. Jiang // Nature. − 2004. − V. 430, N 22. − P. 435—439.
49. De Boeck, J. Hybrid epitaxial structures for spintronics / J. De Boeck, W. Van Roy, V. Motsnyi, Z. Liu, K. Dessein, G. Borghs // Thin Solid Films. − 2002. − V. 412, N 1. − P. 3—13.
50. Wu, Y. Nano spintronics for data storage / Y. Wu // Encyclopedia of nanoscience and nanotechnology / Ed. by H. S. Nalwa – Valencia (USA) : American Scientific Publishers, 2004. − V. X. − P. 1—50.
51. Zhu, S. CMOS−Compatible silicon nanoplasmonics for on−chip integration / S. Zhu, G. Q. Lo, D. L. Kwong // World Acad. of Sci., Eng. and Technol. − 2012. − V. 6, N 9. − P. 486—492.
52. Temnov, V. V. Active magneto−plasmonics in hybrid metal−ferromagnet structures / V. V. Temnov, G. Armelles, U. Woggon, D. Guzatov, A. Cebollada, A. Garcia−Martin, J.−M. Garcia -Martin, T. Thomay, A. Leitenstorfer, R. Bratschitsch // Nature Photonics. − 2010. − V. 4, N 2. − P. 107—111.
53. Plusnin, N. I. Metal thin−film nanophases and their interface with silicon / N. I. Plusnin, V. M. Il’iashchenko, S. A. Kitan’, S. V. Krylov // J. Phys.: Conf. Series. − 2008. − V. 100, N 5. − P. 052094 (1—4).
Рецензия
Для цитирования:
Плюснин Н.И. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ НАНОПЛЕНКИ НА МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОМ КРЕМНИИ: РОСТ, СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ. Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2015;18(2):81-94. https://doi.org/10.17073/1609-3577-2015-2-81-94
For citation:
Plyusnin N.I. Metallic Nanofilms on Single Crystal Silicon: Growth, Properties and Applications. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering. 2015;18(2):81-94. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/1609-3577-2015-2-81-94
Просмотров:
1016
Послать статью по эл. почте 