Сегрегационно-индуцированное формирование нанокристаллов Ge в оксиде кремния

  • Олег Юрьевич Наливайко «Интеграл» – управляющая компания холдинга «Интеграл», ул. Казинца, 121а, 220108, г. Минск, Беларусь
  • Аркадий Степанович Турцевич Министерство промышленности Республики Беларусь, пр. Партизанский, 2, корп. 4, 220033, г. Минск, Беларусь
  • Владимир Иванович Плебанович «Планар» – управляющая компания холдинга «Планар», пр. Партизанский, 2, корп. 2, 220033, г. Минск, Беларусь
  • Петр Иванович Гайдук Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

Аннотация

Проведено исследование начальных стадий роста слоев сплавов Si1 – xGex и уточнен механизм формирования нанокристаллов Ge, инкорпорированных в оксид кремния. Обнаружено, что на начальных стадиях выращивания слоев сплавов Si1 – xGex происходит увеличение плотности островков-зародышей Si1 – xGex в 2,5–3,4 раза по сравнению с плотностью островков поликристаллического кремния (от 1,07 ⋅ 1011 до 1,90 ⋅ 1011 см–2 и от 3,1 ⋅ 1010 до 4,3 ⋅ 1010 см–2 соответственно). Установлено уменьшение толщины слоя, соответствующего окончанию индукционного периода и образованию сплошного слоя Si1 – xGex, до 8–10 нм (для поликристаллического кремния толщина аналогичного слоя составляет примерно 22 нм). Показано, что нанокристаллы Ge формируются за счет сегрегационного оттеснения атомов Ge фронтом окисления при термическом окислении слоя сплава Si1 – xGex, полученного химическим осаждением из газовой фазы, причем окисление кремния происходит как по фронту окисления, так и по границам зерен. Получены МОП-структуры с нанокристаллами Ge, обладающие гистерезисом вольт-фарадных характеристик 1,7–1,8 В и плотностью токов утечки от 1,5 ⋅ 10–16 до 2,2 ⋅ 10–16 А/мкм2 .

Биографии авторов

Олег Юрьевич Наливайко, «Интеграл» – управляющая компания холдинга «Интеграл», ул. Казинца, 121а, 220108, г. Минск, Беларусь

заместитель главного технолога

Аркадий Степанович Турцевич, Министерство промышленности Республики Беларусь, пр. Партизанский, 2, корп. 4, 220033, г. Минск, Беларусь

доктор технических наук, доцент; начальник управления электроники и приборостроения, электротехнической и оптико-механической промышленности

Владимир Иванович Плебанович, «Планар» – управляющая компания холдинга «Планар», пр. Партизанский, 2, корп. 2, 220033, г. Минск, Беларусь

кандидат технических наук, доцент; заместитель генерального директора по маркетингу

Петр Иванович Гайдук, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

доктор физико-математических наук; профессор кафедры физической электроники и нанотехнологий факультета радиофизики и компьютерных технологий

Литература

  1. Rajput R, Vaid R. Flash memory devices with metal floating gate / metal nanocrystals as the charge storage layer: a status review. Facta Universitatis. Series: Electronics and Energetics. 2020;33(2):155–167. DOI: 10.2298/FUEE2002155R.
  2. Vasilache D, Cismaru A, Dragoman M, Stavarache I, Palade C, Lepadatu A-M, et al. Non-volatile memory devices based on Ge nanocrystals. Physica Status Solidi A. 2016;213(2):255–259. DOI: 10.1002/pssa.201532376
  3. Horváth ZsJ, Basa P. Nanocrystal non-volatile memory devices. Materials Science Forum. 2009;609:1–9. DOI: 10.4028/www. scientific.net/MSF.609.1.
  4. Lehninger D, Beyer J, Heitmann J. A review on Ge nanocrystals embedded in SiO2 and high-k dielectrics. Physica Status Solidi A. 2018;215(7):1701028. DOI: 10.1002/pssa.201701028.
  5. Tiwari S, Wahl J, Silva H, Rana F, Welser J. Small silicon memories: confinement, single-electron, and interface state considerations. Applied Physics A. Materials Science & Processing. 2000;71(4):403–414. DOI: 10.1007/s003390000553.
  6. Normand P, Tsoukalas D, Kapetanakis E, Van Den Berg JA, Armour DG, Stoemenos J, et al. Formation of 2-D arrays of silicon nanocrystals in SiO2 films by very-low energy Si+ ion implantation. Electrochemical and Solid-State Letters. 1998;1(2):88–90. DOI: 10.1149/1.1390646.
  7. Kanjilal A, Hansen JL, Gaiduk P, Larsen AN, Cherkashin N, Claverie A, et al. Structural and electrical properties of silicon di oxide layers with embedded germanium nanocrystals grown by molecular beam epitaxy. Applied Physics Letters. 2003;82(8):1212–1214. DOI: 10.1063/1.1555709.
  8. Larsen AN, Kanjilal A, Hansen JL, Gaiduk P, Cherkashin N, Claverie A, et al. Germanium quantum dots in SiO2: fabrication and characterization. In: Borisenko VE, Gaponenko SV, Gurin VS, editors. Physics, chemistry and application of nanostructures. Re views and short notes to Nanomeeting-2003; 2003 May 20–23; Minsk, Belarus. Singapour: World Scientific; 2003. p. 439–446. DOI: 10.1142/9789812796738_0103.
  9. Das S, Singha RK, Das K, Dhar A, Ray SK. Silicon dioxide embedded germanium nanocrystals grown using molecular beam epitaxy for floating gate memory devices. Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 2009;9(9):5484–5488. DOI: 10.1166/jnn.2009.1186.
  10. King Y-C, King T-J, Hu C. MOS memory using germanium nanocrystals formed by thermal oxidation of Si1 – xGex. In: International electron device meeting – 1998. Technical digest (cat. No. 98CH36217); 1998 December 6–9; San Francisco, USA. Piscataway: The Institute of Electrical and Electronics Engineers; 1998. p. 115–118. DOI: 10.1109/IEDM.1998.746292.
  11. Gaiduk PI, Novikov AG, Pshenichnij EN, Nalivaiko OYu, Malyshev VS, Plebanovich VI. Flash memory with Ge nanocrystals produced by CVD and thermal processing. In: Kołtunowicz T, editor. New electrical and electronic technologies and their industrial implementation. 5th International conference; 2007 June 12–15; Zakopane, Poland. Lublin: Publishing House of the Technical Uni versity of Lublin; 2007. p. 53.
  12. Novikov AG, Gaiduk PI, Pshenichnij EN, Nalivaiko OYu, Malyshev VS, Plebanovich VI. Nanocrystal floating gate produced by CVD and thermal processing. In: Micro- and nanoelectronics – 2007. The International conference; 2007 October 1–5; Moscow – Zvenigorod, Russia. [S. l.]: [s. n.]; 2007. p. О3-02.
  13. Novikau AG, Nalivaiko OYu, Gaiduk PI. Thermal oxidation effect on electrical properties of mos capacitors with embedded Ge nanocrystals. Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Рhysical-Technical Series. 2018;54(1):119–126. Russian. DOI: 10.29235/1561-2430-2018-54-1-119-126.
  14. Nalivaiko OYu, TurtsevichAS, Gaiduk PI. [Peculiarities of SiGe thin film deposition in a reduced pressure reactor]. In: Vakuum naya tekhnika i tekhnologiya – 2009. Sbornik nauchnykh trudov nauchno-tekhnicheskogo seminara; 9–11 iyunya 2009 g.; Sankt Peterburg, Rossiya [Vacuum technique and technology – 2009. Collection of scientific papers of the scientific and technical seminar; 2009 June 9–11; Saint Petersburg, Russia]. Saint Petersburg: [s. n.]; 2009. p. 59–60. Russian.
  15. Nalivaiko OYu, Turtsevich AS. The deposition of silicon nitride films under low pressure on wafers up to 200 mm. Tekhnologiya i konstruirovanie v elektronnoi apparature. 2012;6:34–39. Russian.
  16. Nalivaiko OYu, Turtsevich AS, Lepeshkevich GV, Zhigulin DV, Nalivaiko VO. [Study of the initial stages of Si1 – хGeх film growth Si1 – хGeх in a horizontal reduced pressure reactor]. In: Popechits VI, chief editor. Prikladnye problemy optiki, informatiki, radio fiziki i fiziki kondensirovannogo sostoyaniya. Materialy Chetvertoi Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii; 11–12 maya 2017 g.; Minsk, Belarus’ [Applied problems of optics, informatics, radiophysics and condensed matter physics. Proceedings of the 4th International scientific and practical conference; 2017 May 11–12; Minsk, Belarus]. Minsk: A. N. Sevchenko Institute of Applied Physical Problems of the Belarusian State University; 2017. p. 276–278. Russian.
  17. Wagner C. Formation of composite scales consisting of oxides of different metals. Journal of the Electrochemical Society. 1956; 103(11):627–633. DOI: 10.1149/1.2430176.
  18. Liou HK, Mei P, Gennser U, Yang ES. Effects of Ge concentration on SiGe oxidation behavior. Applied Physics Letters. 1991; 59(10):1200–1202. DOI: 10.1063/1.105502.
  19. Novikov AG, Gaiduk PI. Germanium segregation in CVD grown SiGe layers. Central European Journal of Physics. 2010; 8(1):57–60. DOI: 10.2478/s11534-009-0082-0.
Опубликован
2022-06-15
Ключевые слова: химическое осаждение из газовой фазы, нанокристаллы Ge, термическое окисление бинарных сплавов
Как цитировать
Наливайко, О. Ю., Турцевич, А. С., Плебанович, В. И., & Гайдук, П. И. (2022). Сегрегационно-индуцированное формирование нанокристаллов Ge в оксиде кремния. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, 2, 70-78. https://doi.org/10.33581/2520-2243-2022-2-70-78
Раздел
Наноматериалы и нанотехнологии