авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Исследование электрофизических свойств и электрополевая модификация наноразмерных оксидных слоёв методом комбинирован- ной сканирующей туннельной/атомно-силовой микроскопии

на правах рукописи

Антонов Дмитрий Александрович

Исследование электрофизических свойств и электрополевая

модификация наноразмерных оксидных слоёв методом комбинирован-

ной сканирующей туннельной/атомно-силовой микроскопии

Специальность 01.04.07 — физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород, 2011

Работа выполнена в Нижегородском государственном университете им. Н.И. Лобачевского

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, доцент, с.н.с. Научно-исследовательского физико-технического института Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского Филатов Д. О.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, про фессор Кафедры теоретической физики Физического факультета Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского Сатанин А. М.

доктор физико-математических наук, с.н.с. Института химической физики Российской Академии наук Гришин М. В.

Ведущая организация: Институт физики микроструктур Российской Академии Наук (г. Нижний Новгород)

Защита диссертации состоится “ 14 “ сентября 2011г. в 14: на заседании диссертационного совета Д 212.166. при ННГУ им. Н.И. Лобачевского по адресу: 603950 Нижний Новгород, пр-т Гагарина, 23, корп. 3.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ННГУ им. Н.И. Лобачевского Автореферат разослан “ 13 “ августа 2011г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.166.01, доктор физико-математических наук, профессор Машин А. И.

Актуальность темы диссертационного исследования Исследования фундаментальных свойств твердотельных нанострук тур в последние годы получили широкое развитие [1]. Среди нанораз мерных объектов в настоящее время активно исследуются металличе ские нанокластеры (НК), как осаждённые на различные подложки [2], так и диспергированные в диэлектрической матрице [3]. По своим свой ствам такие НК занимают промежуточную область между отдельными атомами и твердым телом. Физические свойства НК зависят от состава их материала, размеров, формы, а также от взаимодействия с подлож кой (диэлектрической матрицей).

Зависимость электронных, магнитных, оптических и др. свойств ме таллических НК от их размеров интенсивно изучалась теоретически и экспериментально с начала 1960-х гг.[4]. Несмотря на значительное ко личество исследований в этой области, в настоящее время, указанные вопросы остаются слабо изученными. Главная проблема состоит в том, что исследуемые образцы, как правило, содержат большое количество НК, имеющих естественный разброс по размерам и форме. В результате измеряемые характеристики являются усреднёнными по ансамблю НК, что существенно затрудняет исследование размерных эффектов.

Внедрение в научно-исследовательскую практику методов скани рующей туннельной микроскопии/спектроскопии (СТМ/СТС) в конце 1980-х гг. открыло новые возможности для исследований геометрии и электронных свойств индивидуальных НК на поверхности проводящих подложек. В то же время, в последние годы большое внимание уделяет ся разработке методов формирования и исследования нанокомпозитных структур, представляющих собой массивы металлических НК, встроен ных в тонкие диэлектрические плёнки. Такие структуры привлекают внимание как среды, способные хранить заряд, локализованный на НК.

В связи с этим, они считаются перспективными для применения в каче стве плавающих затворов в МОП-транзисторах, являющихся ячейками энергонезависимой памяти (т. наз. nano-flash [5]). В связи с вышеизло женным, развитие методов исследования электронных свойств металли ческих НК в диэлектрических плёнках является актуальным [6]. В на стоящей диссертационной работе для изучения электронного транспорта через индивидуальные НК Au в тонких (толщиной 3 5 нм) слоях SiO2/Si(001) был применён метод комбинированной сканирующей тун нельной/атомно-силовой микроскопии (СТМ/АСМ) в сверхвысоком ва кууме (СВВ) [7]. В [8] была показана возможность применения данного метода для исследования электронного транспорта через нанокомпозит ные плёнки ZrO2(Y):НК-Zr/Si, визуализации каналов протекания тун нельного тока через цепочки НК в диэлектрике, а также наблюдения кулоновской блокады и резонансного туннелирования электронов через НК. Важным преимуществом метода комбинированной СТМ/АСМ пе ред методом СТМ в области исследования нанокомпозитных плёнок является то, что в первом случае каналы удержания обратной связи (АСМ) и измерения тока через зонд являются независимыми. Это дела ет возможным изучение образцов, на поверхности которых имеются непроводящие участки.

В зарубежной литературе данный метод получил название Tunneling AFM или Conductive AFM. Компания Veeco Instruments (США) исполь зует товарный знак TUNA. В основном, указанный метод применялся для характеризации ультратонких подзатворных диэлектриков для пер спективных МОП-транзисторов [9].

В последние годы большое внимание уделяется изучению т. наз. эф фекта резистивного переключения (англ. Resistive Switching) в тонких диэлектрических плёнках. Указанный эффект заключается в обратимом изменении электропроводности тонкопленочных слоев нестехиометри ческих оксидов некоторых металлов (таких, как ZrO2, TiO2 и др. [10]), заключённых между двумя металлическими электродами, под действи ем электрического напряжения между последними. Интерес к указанно му эффекту обусловлен перспективами создания на его основе нового поколения энергонезависимой памяти (т. наз. Resistive Switching Random Access Memory, ReRAM). Представляет интерес изучение воз можности локальной модификации электропроводности тонких плёнок HfO2/Si под действием напряжения между подложкой и АСМ зондом. В этом случае, метод комбинированной СТМ/АСМ выступает в двоякой роли: как для модификации свойств диэлектрика, так и для диагностики результирующего его состояния. Данная задача является актуальной как с фундаментальной точки зрения (для выяснения механизмов резистив ного переключения в плёнках HfO2/Si), так и с прикладной (как новый вид нанолитографии).



Цель и задачи исследования Целью диссертационной работы является исследование локальных электрофизических свойств и механизмов локальной электрополевой модификации наноразмерных оксидных слоёв методом комбинирован ной СТМ/АСМ. В работе решаются следующие задачи:

1. исследование методом комбинированной СТМ/АСМ морфологии и электрофизических свойств структур с однослойными массивами НК Au в сверхтонких слоях диоксида кремния на подложках крем ния (SiO2:НК-Au/SiO2/Si(001)), сформированыx методом импульс ного лазерного осаждения (ИЛО) с окислением в плазме тлеющего разряда;

2. исследование поперечного туннельного транспорта электронов в структурах SiO2:НК-Au/SiO2/Si(001) методом комбинированной СТМ/АСМ;

в частности, изучение зависимости вида ВАХ туннель ного контакта металлизированного АСМ зонда к пленкам SiO2:НК Au/Si(001) от геометрических параметров НК, а также толщины покровного и подстилающего слоёв SiO2;

3. исследование методом комбинированной СТМ/АСМ влияния СВВ отжига на морфологию и локальную электропроводность сверхтон ких плёнок HfO2/Si(001) и ZrO2/Si(001);

4. исследование возможности локальной модификации электропро водности сверхтонких слоёв HfO2/SiO2/Si(001) под действием элек трического поля между проводящим АСМ зондом и подложкой.

Научная новизна и практическая значимость работы Впервые:

- метод комбинированной СТМ/АСМ применен для исследования элек трофизических свойств НК Au в толще сверхтонких (толщиной 3 нм) слоёв SiO2/Si;

c помощью данного метода визуализированы индиви дуальные металлические НК в объеме тонких оксидных слоёв на прово дящих подложках, что позволяет изучать процессы туннельного транс порта электронов через единичные НК.

- экспериментально исследованы туннельные спектры индивидуальных НК Au, инкорпорированных в тонкие слои SiO2/Si(001), в зависимости от размеров и формы НК, а также от их положения относительно границ слоя SiO2;

наблюдались эффекты кулоновской блокады туннелирования и резонансного туннелирования электронов через единичные НК Au в слое SiO2/Si при комнатной температуре.

- получена детальная микроскопическая картина деградации электрофи зических свойств плёнок HfO2/SiO2/Si, связанной с накоплением вакан сий кислорода в процессе СВВ отжига.

- методом комбинированной СТМ/АСМ изучена начальная стадия про цесса формирования нанометровых зёрен силицидов Hf и Zr в процессе сверхвысоковакуумного отжига тонких слоёв HfO2/Si(001) и ZrO2/Si(001).

- экспериментально продемонстрирована возможность обратимой ло кальной модификации электропроводности сверхтонких слоёв HfO2/SiO2/Si(001) под действием электрического поля между АСМ зон дом и подложкой.

Основные положения, выносимые на защиту 1. Участки пониженного сопротивления на токовых CТМ/АСМ изо бражениях структур с нанокластерами Au в слоях SiO2/Si обусловле ны туннелированием электронов между АСМ зондом и подложкой через индивидуальные нанокластеры Au.

2. Особенности на ВАХ контакта АСМ зонда к структурам с нанокла стерами Au в слоях SiO2/Si, в виде серии ступеней с эквидистантны ми порогами, обусловлены кулоновской блокадой туннелирования электронов при температуре 300 К через нанокластеры Au с лате ральными размерами 1 – 3 нм;

особенности в виде пиков связаны с резонансным туннелированием электронов через нанокластеры Au высотой менее 1 нм.

3. Участки пониженного сопротивления на токовых CТМ/АСМ изо бражениях слоёв HfO2/SiO2/Si после вакуумного отжига при 300650С обусловлены транспортом электронов по вакансиям ки слорода, образующимся в результате выхода кислорода в вакуум.

4. Участки пониженного сопротивления на токовых CТМ/АСМ изо бражениях слоёв HfO2/Si и ZrO2/Si после вакуумного отжига при 900С обусловлены туннелированием электронов через нановключе ния силицидов Hf и Zr.

5. Под действием электрического поля между АСМ зондом и структу рой HfO2/SiO2/Si происходит обратимое локальное изменение элек тропроводности слоя HfO2, обусловленное электромиграцией вакан сий кислорода в HfO2.

Личный вклад автора в получение результатов работы Автором лично выполнены эксперименты по исследованию морфо логии и электрофизических свойств нанокомпозитных плёнок SiO2:НК Au/Si, по исследованию влияния СВВ отжига на морфологию и локаль ную электропроводность тонких плёнок HfO2/Si и ZrO2/Si, а также по электрополевой модификации плёнок HfO2/SiO2/Si.





Планирование экспериментов и анализ экспериментальных результа тов осуществлялись совместно с научным руководителем.

Апробация работы Основные положения и результаты диссертации докладывались на российских и международных научных конференциях, в том числе:

1. Международный симпозиум “Нанофизика и наноэлектроника” (Нижний Новгород 2006, 2007, 2008);

2. NSTI Nanotech Conference and Expo (Anaheim CA, 2004;

Boston MA, 2006);

3. International Conference “Defects in high-k dielectrics 2005” (St. Petersburg, 2005);

4. Научная сессия Национального исследовательского ядерного уни верситета «МИФИ» (25 - 29 января 2008);

5. MRS 2003 Fall Meeting (Boston, MA December 1 - 6, 2003);

6. International Conference “Quantum Dots 2010” (Nottingham, UK, April 26-30, 2010);

а также на семинарах Научно-образовательного центра «Физика твердотельных наноструктур» Нижегородского государственного уни верситета им. Н.И.Лобачевского (НОЦ ФТНС ННГУ) и Института фи зики микроструктур (ИФМ) РАН (Н. Новгород).

Публикации По теме диссертационной работы автором опубликовано в соавтор стве 15 печатных научных работ, в том числе 5 статей в ведущих науч ных изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 публикации в сборниках статей и 8 публикаций в материалах Российских и международных на учных конференций.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, 5 глав основного содержания, за ключения и приложения. Текст диссертации содержит 163 страницы, включая 81 рисунок и 4 таблицы. Список цитированной литературы на считывает 170 наименований. В приложении приведён список работ автора по теме диссертации.

Основное содержание работы

Во Введении обоснована актуальность темы исследований, сформу лированы цель и задачи работы, показаны научная новизна и практиче ская значимость результатов работы, сформулированы основные поло жения, выносимые на защиту, личный вклад автора в получение резуль татов работы, приведены сведения об апробации работы и публикациях автора по теме диссертации.

Глава 1 диссертации содержит обзор литературы, посвященной ос новным методам формирования НК (как на проводящей поверхности, так и в объеме диэлектрических пленок) и исследованиям их свойств, а также механизмам резистивного переключения в тонких плёнках ди электриков. Особое внимание уделено публикациям, посвященным ис следованию электрофизических свойств металлических НК на проводя щих подложках и электронного транспорта через НК в диэлектрических пленках методом СТМ.

В Главе 2 описаны методики экспериментальных исследований.

В Разделе 2.1 описаны методики формирования и характеризации исследованных образцов. Исследовались образцы двух типов:

1) Образцы с НК Au в толще тонких (толщиной 4 5 нм) плёнок SiO2/Si формировались методом импульсного лазерного осаждения (ИЛО) в Национальном исследовательском ядерном университете (НИЯУ) «МИФИ» к.ф.-м.н. А.В.Зенкевичем и к.ф.-м.н.

Ю.Ю.Лебединским в камере препарирования электронного спектромет ра Kratos XSAM-800 с использованием второй гармоники излучения импульсного AИГ:Nd лазера в режиме модуляции добротности (длина волны излучения = 532 нм). Использовались подложки n+-Si(001) мар ки КЭМ-0,005. Структуры с однослойными массивами НК Au в толще плёнок SiO2/Si были получены путем окисления слоя аморфной смеси Au—Si, осаждённой методом ИЛО в СВВ (давление остаточных газов ~10–10 Торр) на поверхность слоя SiO2/n+-Si(001) толщиной 1 2 нм, в кислородной плазме тлеющего разряда при 300К. В процессе окисления Au сегрегировало в НК [11]. Количество осаждённого материала (Au и Si) контролировалась методом резерфордовского обратного рассеяния (РОР). Исследования РОР проводились в Научно-исследовательском институте ядерной физики (НИИ ЯФ) Московского государственного университета (МГУ) им. М.В. Ломоносова П.С. Черных. Соотношение лазер + Fn фотодетектор ROC p+-Si АСМ зонд - It + Pt SiO Au Ub n+-Si А б Рис. 1. а — ПЭМ изображение структуры SiO2:НК-Au/NaCl(001) [11];

Au/Si 0,15;

на вставке: ПЭМ изображения отдельных НК Au (увелич.);

б — схема исследования электронного транспорта через НК Au в плёнке SiO2/n+-Si мето дом комбинированной СТМ/АСМ.

количества Au и Si в смеси задавалось числом импульсов по мишеням Au и Si и составляло 0,15 0,5. Cформированный слой НК Аu закры вался слоем аморфного Si толщиной 1 2 нм, который также окислялся в кислородной плазме тлеющего разряда.

Толщина подлежащего и покровного слоёв SiO2 (du и dc, соответст венно), а также толщина слоя с НК Au dNC определялись методом рент геновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) in situ в процессе формирования структур по затуханию линий Si2p и Au4f от нижележа щего слоя. С целью исследования зависимости туннельных спектров НК от их размеров и глубины залегания относительно границ плёнки SiO2, была сформирована серия структур с различными значениями du, dc и dNC (1,0 1,5 нм, 0,7 2,1 нм и 1,0 1,6 нм, соответственно). Также с целью исследования морфологии НК Au методом АСМ, были сформи рованы структуры SiO2:HK-Au/SiO2/n+-Si без покровного слоя SiO2.

Латеральные размеры (D), поверхностная плотность (Ns), а также кристаллическая структура НК Au определялись методом просвечиваю щей электронной микроскопии (ПЭМ) высокого разрешения. ПЭМ ис следования были выполнены в НИЯУ «МИФИ» А.А.Тимофеевым с по мощью ПЭМ Jeol JEM 2000 EX при ускоряющем напряжении 180 кВ на образцах, сформированных на подложках NaCl(001), в тех же условиях.

Было установлено, что при окислении в плазме тлеющего разряда фор мируются монокристаллические НК Au c D = 2 7 нм и Ns = ( 3)1013 cм–2, в зависимости от соотношения количества Au и Si в исход ной аморфной смеси (рис.1а).

2) Слои ZrO2 и HfO2 на подложках p-Si, полученные методом ато марного послойного осаждения в MDM Laboratorio Nazionale di Milano (Италия).

В Разделе 2.2 описаны методики микрозондовых исследований мор фологии и локальных электрофизических свойств вышеописанных об разцов. Исследования проводились при помощи СВВ СТМ/АСМ Omi cron UHV AFM/STM LF1 [12] в составе СВВ комплекса Omicron Multi Probe S при 300К. Морфология поверхностных НК Au/SiO2/Si, а также поверхности слоёв ZrO2/Si и HfO2/Si после отжига в СВВ изучалась ме тодом неконтактной АСМ с частотным детектированием. Электронные свойства НК Au на поверхности и в толще плёнок SiO2/Si, а также слоев ZrO2/Si и HfO2/Si в зависимости от температуры отжига и после элек трополевой модификации изучались методом комбинированной СТМ/АСМ (рис. 1б). Поверхность нанокомпозитной плёнки на прово дящей подложке сканировалась p+-Si АСМ зондом c Pt покрытием;

ме жду зондом и подложкой прикладывалось напряжение Ub. Одновремен но с регистрацией топографии поверхности плёнки z(x, y), где x, y — координаты зонда в плоскости поверхности образца;

z — высота по верхности в точке x, y, регистрируется карта силы тока между зондом и подложкой It(x, y) (токовое изображение). В альтернативном режиме, в каждой точке кадра измерялись вольт-амперные характеристики (ВАХ) туннельного контакта между АСМ зондом и подложкой It(Ub).

В Главе 3 излагаются результаты исследования морфологии и элек тронных свойств НК Au на поверхности и в толще сверхтонких плёнок SiO2/Si.

В Разделе 3.1 приводятся результаты исследований морфологии по верхностных НК Au в структурах SiO2:HK-Au/SiO2/Si без покровного слоя SiO2, а также электронного транспорта через поверхностные НК.

С целью определения геометрических параметров НК Au в структу рах SiO2/SiO2:НК-Au/SiO2/Si, сформированных методом окисления сме си Au—Si в плазме тлеющего разряда, были получены образцы SiO2:НК-Au/SiO2/Si без покровного слоя SiO2. На рис.2а приведено АСМ изображение такой структуры, полученное методом неконтактной АСМ в СВВ при помощи АСМ зонда марки NT-MDT NSG01 DLC с алмазоподобными вискерами на острие. На АСМ изображении наблю даются островки c h = 0,7 1,3 нм (рис. 2б) и D = 2 9 нм (рис. 2в).

5 1.5 nm z, нм N 50 nm 50 nm 1 0 nm 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 2 4 6 8 10 12 x, нм D, нм а б в Рис. 2. АСМ изображение (а) и профили (б) поверхности структуры SiO2:НК Au/SiO2/Si;

в - гистограмма распределения НК по латеральным размерам (D).

Данные островки были идентифицированы как НК Au на основании результатов комбинированной СТМ/АСМ (рис. 3). На токовых изобра жениях, полученных при помощи Si АСМ зонда с Pt покрытием (NT MDT NSG01/Pt), наблюдались участки повышенной проводимости (то ковые каналы, рис. 3б), положение которых коррелирует с положением островков (рис.3а). Эти каналы были связаны с туннелированием элек тронов из АСМ зонда в подложку через НК (рис. 3в).

Модель формирования НК Au при окислении аморфной смеси Au— Si [11] предполагает, что НК могут быть частично заглублены в слой SiO2. Длина туннелирования электронов при контакте металлизирован ного АСМ зонда с поверхностью НК меньше, чем при контакте АСМ зонда с поверхностью SiO2 (рис. 3б), соответственно в первом случае It возрастает.

Как АСМ изображения НК на рис.3а, так и размеры каналов тока Dc на рис.3б существенно превышают латеральные размеры НК, опреде лённые методом ПЭМ (см. рис.3 и рис.1а), что было связано с эффек 3,43 nm 6,27 nA + + p+-Si Pt ~25 нм Au 0 nm 0 nA SiO2 ~2 нм n+-Si 0 nm 300 nm 0 nm 300 nm а б в Рис. 3. Морфология (а) и токовое изображение (б) структуры SiO2:НК Au/SiO2/n+-Si;

механизм формирования токового изображения поверхностных НК Au (в).

+ p+-Si Pt 35 нм Dp Au SiO n+-Si а б Рис. 4. а — инвертированное токовое изображение поверхности структуры SiO2(1,5 нм)/SiO2:НК-Au(1,6 нм)/SiO2(1,8 нм)/n+-Si;

Ub = 6В;

б — схема тун нелирования электронов через НК Au в тонком слое SiO2/Si (в).

том конволюции вследствие конечного радиуса кривизны острия зонда Rp [13]. Для зондов NT MDT NSG01/Pt Rp 35 нм, тогда как для зондов c алмазоподобными вискерами NSG01 DLC Rp 1 3 нм (согласно пас порту). С учётом последнего, размеры НК Au, определённые методом АСМ (D = 2 9 нм, рис.2в) согласуются с данными ПЭМ. Предполагая, что приблизительно 1/2 высоты НК заглублена под поверхностью SiO2, имеем h = 1,4 2,6 нм;

предполагая, что НК Au находятся на поверхно сти слоя SiO2, h = 0,7 1,3 нм.

В Разделе 3.2 приводятся результаты исследований локального по перечного электронного транспорта в структурах с однослойными мас сивами НК Au в слоях SiO2/n+-Si. На токовых изображениях таких структур наблюдались каналы тока с размерами Dc = 7 15 нм (рис. 4а), связанные с туннелированием электронов между зондом и подложкой через НК Au (рис. 4б). Данный результат показывает возможность ви зуализации методом комбинированной СТМ/АСМ металлических НК в тонком диэлектрическом слое на проводящей подложке. Средние значе ния Dc, как правило, значительно превышали размеры НК, определён ные методом ПЭМ (см. рис. 4а и рис. 1а). В [А3] показано, что Dc опре деляется размерами области контакта острия АСМ зонда с поверхно стью образца Dp (рис. 4б). 1 Значение Dp было оценено из решения зада –––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Математическое моделирование процесса формирования токового изображения металли ческих НК в диэлектрической плёнке при исследовании методом комбинированной СТМ/АСМ выполнены аспиранткой Каф. ФПиО ННГУ М.В.Лапшиной чи Герца [14]. Для зондов с Pt покрытием (NSG-01/Pt) Rp 35 нм, и для типичных значений нагружающей силы Fn = 1 2,5 нН, оценка Dp = 3, 8,7 нм. В то же время, как следует из результатов ПЭМ, среднее рас стояние между НК составляет 3 нм, что существенно больше как du, так и dc. Следовательно, возможен режим, когда ток между АСМ зон дом и подложкой протекает через отдельно взятый НК. Таким образом, метод комбинированной СТМ/АСМ позволяет изучать поперечный тун нельный транспорт через индивидуальные НК в диэлектрическом слое.

ВАХ контакта АСМ зонда к поверхности структур SiO2:НК-Au/Si, измеренных в токовых каналах, имели различный вид, в зависимости от dc, du и размеров НК. На некоторых ВАХ наблюдались пики (рис. 5а), связанные с резонансным туннелированием электронов между АСМ зондом и подложкой через НК. Данная интерпретация ВАХ основана на одномерной модели резонансного туннелирования электронов через ме таллические НК [A15], разработанной аспиранткой Каф. ФПиО ННГУ М.А.Лапшиной. Форма НК аппроксимировалась плоским цилиндром с h D. Такое упрощение обосновано, так как ПЭМ и АСМ исследования показали, что НК в исследованных структурах имели сплюснутую фор му (см. выше). НК считались квазинейтральными, т. е. значения паде ния напряжения на первом и втором барьерах V1 и V2 (рис.5б) пропор циональны их ширине а1 и а2, соответственно. Эффектом кулоновской блокады пренебрегали.

Обычно для расчёта спектра туннельной прозрачности T(E) двух барьерных структур используют метод трансфер-матриц [15]. Данный подход применим при условии малых напряжений Ub Eb/e, где Eb — высота потенциальных барьеров в структуре (рис.5б), е — элементар ный заряд. Однако такой подход неприменим для структур, исследован ных в настоящей работе, поскольку в них туннелирование происходило + Pt SiO2 Au SiO2 n -Si 8 3 - V1 - Eb It, нА 1 U0 V Е, эВ T(E) - Ec Ub a1 h a2 - EcPt 1 2 EcSi EcAu - - EFSi 0 - 2 3 4 5 6 0 2 4 6 0 2 4 6 Ub, B z, нм E, эB а б в Рис. 5. Экспериментальная (1) и модельная (2) ВАХ (а), модельные зонная диа грамма (б) и спектр туннельной прозрачности (в) контакта Pt АСМ зонда к структуре SiO2(1,5 нм)/SiO2:НК-Au(1,6 нм)/SiO2(1,8 нм)/n+-Si при Ub = 4 В.

в режиме сильного поля: Ub ~ Eb/e. В связи с этим, зависимость Т(Е) двухбарьерной структуры Pt—SiO2—Au—SiO2—Si вычислялась стан дартным методом [16] на основе решения одномерного уравнения Шрё дингера в приближении эффективной массы. В слоях SiO2 в качестве решения выбирались функции Эйри. Данное решение справедливо при любых Ub (в том числе при Ub Eb/e, т. е. в режиме автоэмиссии через треугольный барьер). На рис.5в приведён расчётный спектр Т(Е) струк туры Pt–SiO2(1,5 нм) –Au(1,6 нм) –SiO2(1,8 нм) –n+-Si для Ub = 4 В. На спектре наблюдаются пики, соответствующие резонансным уровням.

Использованная модель является весьма грубой. Прежде всего, в ней не учитываются силы отражения на границах слоёв структуры. Также не учитывалось падение части Ub на ОПЗ в Si вблизи границы SiO2/Si.

На рис.5а приведен пример аппроксимации экспериментальной ВАХ контакта АСМ зонда с Pt покрытием к плёнке SiO2(1,5 нм)/SiO2:НК Au(1,6 нм)/SiO2(1,8 нм)/Si модельной. Путём подбора параметров моде ли (а1, h, а2, и D) было получено качественное согласие вида экспери ментальных и расчётных ВАХ. Критериями согласия были положения пиков на ВАХ по оси Ub, амплитуды пиков и их соотношения, а также значения Ub, при которых наблюдается резкий подъём It, обусловленный автоэлектронной эмиссией в сильном электрическом поле. Наилучшее согласие расчётной и экспериментальной ВАХ было достигнуто при a1 = 0,9 нм, h = 1,05 нм и a2 = 1,35 нм и D = 7,3 нм. Данные значения удов летворительно согласуются с результатами ПЭМ, РФЭС и АСМ иссле дований. Значения a1 и a2, полученные методом подгонки, меньше полу ченных методом РФЭС. Наиболее вероятной причиной расхождения представляется: неучёт сил отражения на границах SiO2/Si, Pt/SiO2 и Au/SiO2, приводящий к занижению туннельной прозрачности слоёв SiO2. Учитывая сплюснутую форму НК, h может быть меньше толщины слоя SiO2:НК-Au (dNC), определённой методом РФЭС [11]. Пики на экс периментальной ВАХ (рис.5а) существенно шире, чем на расчётной, что объясняется флуктуациями h, а также рассеянием на электронах, лока лизованных в НК. В целом, с учётом упрощений модели, согласие меж ду модельными и экспериментальными ВАХ можно признать удовле творительным. Таким образом, используемая модель, несмотря на уп рощения, удовлетворительно описывает процессы туннелирования в контакте АСМ зонда к плёнкам SiO2:НК-Au/Si.

Pt Сc Au Сu SiO n+-Si а б в Рис. 6. ВАХ (а), дифференциальные ВАХ (б) и схема расчёта ёмкости (в) НК Au в плёнке SiO2/Si относительно подложки и АСМ зонда.

Также модель правильно описывает некоторые особенности экспе риментальных ВАХ, например, сильную зависимость вида ВАХ от по ложения АСМ зонда относительно границ канала тока. Действительно, последнее задаёт толщину барьера зонд—НК, что и определяет флук туации общего вида ВАХ, измеренных в пределах одного канала.

Всё вышеизложенное свидетельствует, что наблюдаемые пики на ВАХ обусловлены резонансным туннелированием электронов через НК.

На некоторых ВАХ наблюдались периодические серии ступеней (рис.

6а). Более наглядно они проявляются на дифференциальных ВАХ, по лученных численным дифференцированием измеренных (рис. 6б). Ука занные особенности были связаны с кулоновской блокадой туннелиро вания электронов между АСМ зондом и подложкой через НК. С целью подтверждения такой интерпретации ВАХ, были сделаны оценки разме ров НК из периода кулоновской лестницы VCB. Поскольку, как следует из результатов ПЭМ и РФЭС, в исследованных структурах НК имели сплюснутую форму, для расчёта ёмкости НК относительно АСМ зонда и подложки использовалось приближение сплюснутого эллипсоида вра щения [A6] (рис. 6в).2 Для наблюдавшихся значений VCB = 0,24 0,39В значения D = 2,2 3,2 нм, близкие к определённым методом ПЭМ (см.

рис. 1б). Это свидетельствует, что наблюдавшиеся ступени на ВАХ обу словлены кулоновской блокадой туннелирования.

Альтернативное объяснение особенностей указанно типа состоит в том, что они обусловлены резонансным туннелированием через близко расположенные уровни в НК. Однако если предположить, что Ub делит –––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Формула для раcчета емкости НК эллипсовидной формы относительно АСМ зонда и под ложки получена аспиранткой каф. ФПиО ННГУ М.В.Лапшиной.

ся между двумя барьерами приблизительно поровну, для того чтобы получить наблюдаемые в эксперименте значения VCB 0,3 В, нужно предположить, что расстояние между соседними уровнями в НК E 0,15 эВ. Оценка толщины НК (h), соответствующей этому значению E, составляет 15 нм, что в 3 раза больше средней общей толщины ис следованных структур. Таким образом, предположение о том, что на блюдаемые особенности обусловлены эффектом резонансного туннели рования, не согласуется с геометрическими параметрами структур.

Для проявления в ВАХ кулоновской лестницы, необходимо, чтобы структура была асимметричной, т. е. чтобы темп туннелирования между эмиттером и НК был существенно больше, чем между НК и коллектором [17]. В экспериментальных ВАХ контакта АСМ зонда к тем структурам, для которых выполнялось это условие, наблюдалась кулоновская лест ница. Напротив, пики на ВАХ наблюдались преимущественно в относи тельно симметричных структурах, где складываются более благоприят ные для проявления резонансного туннелирования. Таким образом, ре зультаты данной части работы показывают, что метод комбинированной СТМ/АСМ позволяет изучать туннельный электронный транспорт через индивидуальные НК Au в плёнках SiO2/Si, в том числе эффекты куло новской блокады и резонансного туннелирования при температуре 300К.

В Главе 4 приводятся результаты исследований влияния термиче ского отжига в СВВ на морфологию и локальную электропроводность тонких плёнок HfO2/Si и ZrO2/Si. Одной из важных проблем КМОП тех нологии с использованием этих материалов является их деградации при термообработках. Поэтому развитие методов исследования процессов деградации high-k оксидов на нанометровом уровне является практиче ски важной задачей.

На рис. 7 представлены токовые изображения поверхности плёнки HfO2(4 нм)/SiO2(0,3 нм)/p-Si после отжига в СВВ в течение 5 мин при различных температурах ТА. Исходная плёнка HfO2 была туннельно непрозрачной, т. е. It не превышала уровня шумов СТМ предусилителя (~ 1 пА) при |Ub| 6 В (рис. 7а). Отжиг при 300С приводит к формиро ванию областей проводимости (рис. 7б). Деградация электросопротив ления плёнки HfO2 связана с выходом кислорода в вакуум в процессе отжига. Как известно [18], вакансии кислорода в HfO2 являются глубо кими донорами. Когда их концентрация достигает некоторого порогово го значения, становится возможным электронный транспорт по ним.

0,08 nA 0,01 nA 0 nA 0 nA 0 nm 300 nm 0 nm 300 nm а б 5 nA 5 nA 0 nA 0 nA 0 nm 300 nm 300 nm 0 nm в г Рис. 7. Токовые изображения поверхности структуры HfO2(4 нм)/SiO2(0,3 нм)/p Si после СВВ отжига при ТА, С: а — без отжига;

б — 300;

в — 500;

г — 650.

Ub,В: а, б — 6;

в — 4;

г — 0,2.

С увеличением ТА до 500С поверхностная плотность областей де градации растёт, а сопротивление плёнки в них — падает (рис. 7в). При ТА = 650С наступает полная деградация оксидного слоя (рис. 7г).

На рис. 8 приведены токовые изображения поверхности плёнок ZrO2(24 нм)/p-Si и HfO2(4 нм)/p-Si после отжига при 900С. По данным РФЭС, отжиг пленок HfO2/Si и ZrO2/Si при 900С приводит к формиро ванию соответствующих силицидов на границе диэлектрика с Si. Кон траст на токовых изображениях связан с туннелированием электронов между АСМ зондом и подложкой через зёрна силицида. На определён ной стадии деградации, оксидный слой становится туннельно прозрачным, что даёт возможность выявить на токовых изображениях морфологию зародышей силицидной фазы.

20 nA 50 nA 0 nA 0 nA 100 nm 5 nm а б Рис. 8. Токовые изображения поверхности структур ZrO2(24 нм)/p-Si (а) (Ub = 4 В) и HfO2(4 нм)/p-Si (б) после СВВ отжига при ТА = 900С (Ub = 0,2 В).

Таким образом, результаты исследований, изложенные в Главе 4, показывают, что метод комбинированной СТМ/АСМ позволяет просле дить эволюцию локальной электропроводности и формирование сили цидной фазы в процессе СВВ отжига тонких слоёв ZrO2/Si и HfO2/Si.

Данный результат важен для КМОП технологии, поскольку силицида ция оксидов Hf и Zr при отжиге являет одной из серьёзных проблем, препятствующих их приборному применению.

В Главе 5 приводятся результаты экспериментальных исследований процесса электрополевой модификации тонких плёнок HfO2/SiO2/Si.

В Разделе 5.1 приводятся результаты исследований процесса моди фикации морфологии и локальной электропроводности плёнок HfO2/SiO2/Si под действием электрического поля, приложенного между АСМ зондом и проводящей Si подложкой. Установлено, что электро проводность плёнок HfO2(4 нм)/SiO2(0,3 нм)/n-Si, отожжённых в вакуу ме, уменьшается в процессе сканирования АСМ зондом с Pt покрытием (а также зондом с покрытием из алмазоподобной углеродной плёнки) при Ub 4 В, что было связано с резистивным переключением в слое HfO2, обогащённом вакансиями кислорода в процессе СВВ отжига. Ис следования эффекта резистивного переключения в последние годы при влекает большое внимание [19]. Известны работы, в которых метод комбинированной СТМ/АСМ применялся для изучения механизмов резистивного переключения [20].В настоящей работе метод комбиниро ванной СТМ/АСМ применён в двоякой роли: как метод исследования и 2,23 nm 0,63 nA It, нA 0 nA 0 nm - -4-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 Ub, B 800 nm 0 nm 800 nm 0 nm а б в Рис. 9. Топография (а), токовое изображение (б) участка поверхности структуры HfO2(4 нм)/SiO2(0,3 нм)/n-Si после СВВ отжига при ТА = 650С, модифициро ванного путём сканирования АСМ зондом с Pt покрытием при Ub = -4 В;

ВАХ контакта АСМ зонда к пленке HfO2/SiO2/p-Si после СВВ отжига (в).

как способ модификации локальной электропроводности HfO2/Si. По следний случай можно рассматривать как новый метод нанолитографии.

Установлено, что изменение локального электросопротивления мо дифицированной области сопровождается изменением её морфологии (см. рис. 9а и б). Возможность одновременной регистрации топографии и сопротивления диэлектрических плёнок делает метод комбинирован ной СТМ/АСМ уникальным средством исследования механизмов рези стивного переключения в них. На данный момент считается, что меха низм резистивного переключения в нестехиометрических оксидах ме таллов связан с электромиграцией ионов кислорода по вакансиям [21]. В рамках этой модели, подъём поверхности модифицированной области можно объяснить миграцией ионов кислорода к поверхности под дейст вием электрического поля между АСМ зондом и подложкой, при этом ионы заполняют вакансии в кислородной подрешётке и блокируют транспорт электронов по ним.

В Разделе 5.2 приводятся результаты туннельной спектроскопии, плёнок HfO2/SiO2/Si, подверженных сверхвысоковакуумному отжигу.

ВАХ контакта АСМ зонда к поверхности плёнки HfO2(4 нм)/SiO2(0, нм)/Si, после отжига при ТА = 650С, демонстрируют выраженный гисте резис биполярного типа (рис. 9в). Порог переключения составляет 2 В. В то же время, ВАХ, измеренные в области |Ub| 2 В, демонстрируют хорошую воспроизводимость.

В Заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Показана возможность визуализации методом комбинированной СТМ/АСМ нанокластеров Au в толще слоёв SiO2/Si и исследования туннельного одноэлектронного транспорта через индивидуальные нанокластеры при 300К.

2. Методом комбинированной СТМ/АСМ установлено, что СВВ отжиг слоёв HfO2/SiO2/Si в диапазоне температур 300 650С приводит к локальному понижению электросопротивления слоёв HfО2, связан ному с выходом кислорода в вакуум;

СВВ отжиг тонких пленок МеО2/SiO2/Si (Ме = Hf, Zr) при температуре 900С приводит к фор мированию нановключений силицидов Me на границе MeO2/Si.

3. Показана возможность локальной, обратимой модификации электро проводности слоя HfO2/SiO2/Si под действием электрического поля между АСМ зондом и подложкой.

Список опубликованных работ автора по теме диссертации:

[A1] Д.А.Антонов, Г.А.Вугальтер, О.Н.Горшков, А.П.Касаткин, Д.О.

Филатов, М.Е.Шенина. Резонансное туннелирование электронов через нанокластеры, сформированные в стабилизированном диоксиде цирко ния методом ионной имплантации. Вестник ННГУ: Серия физика твер дого тела. – 2007 – №3 – C. 55-60.

[A2] Д.А.Антонов, Д.О.Филатов, А.В.Зенкевич, Ю.Ю.Лебединский. Ис следование электронных свойств нанокластеров Au в SiO2 методом ком бинированной сканирующей туннельной / атомно-силовой микроскопии.

Известия РАН: Серия физическая. – 2007.–- Т. 71, №1 – С. 61-63.

[A3] М.А.Лапшина, Д.О.Филатов, Д.А.Антонов. Формирование токово го изображения при исследовании металлических нанокластеров в ди электрических пленках методом комбинированной СТМ/АСМ. Поверх ность: Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. – 2008. – №8. – С. 35-39.

[A4] А.В.Зенкевич, Ю.Ю.Лебединский, А.А.Тимофеев, В.Н.Неволин, Д.А.Антонов, Д.О.Филатов, Г.А.Максимов. Формирование сверхтонких нанокомпозитных структур SiO2:Au методом импульсного лазерного осаждения. Перспективные материалы. – 2008. – №4. – С. 5-12.

[A5] М.А.Лапшина, Д.О.Филатов, Д.А.Антонов, Н.С.Баранцев. Резо нансное туннелирование в нанокластерах Au на поверхности тонких пленок SiO2/Si при исследовании методом комбинированной сканирую щей туннельной/атомно-силовой микроскопии (СТМ/АСМ). Поверх ность: рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. – 2009. – №7. – С. 71-75.

[A6] A.Zenkevich, Yu.Lebedinskii, O.Gorshkov, D.Filatov, D.Antonov.

Structural and Electron Transport Properties of Ultrathin SiO2 Films with Embedded Metal Nanoclusters Grown on Si // Advances in Diverse Indus trial Applications of Nanocompositess – Ed. B. Reddy / Vienna: InTech, 2011. – pp. 317-340.

[A7] D.А.Antonov, D.O.Filatov, A.V.Kruglov, G.A.Maximov, A.V.Zenke vich, Y.Y.Lebedinskii. Investigation of the electronic properties of thin di electric films by Scanning Probe Microscopy // Defects in HIgh-k Gate Di electric Stacks. NATO Science Series II.Mathematics, Physics and Chemis try. V.220. – Ed. E.Gusev / Springer, 2006.

[A8] Yu.Lebedinskii, A.Zenkevich, D.Filatov, D.Antonov, J.Gushina, G.

Maximov. Silicide Formation at ZrO2/Si and HfO2/Si Interfaces Induced by Ar+ Ion Bombardment // Proc. MRS 2003 Fall Meeting (Boston MA, De cember 1-6, 2003) E3-25.

[A9] D.A.Antonov, D.O.Filatov, G.A.Maximov, A.V.Zenkevich, Yu.Yu.

Lebedinskii. Investigation of the Electronic Properties of the ZrO2 and HfO Thin Films by Scanning Probe Microscopy and X-ray Photoelectron Spec troscopy // Technical Proceedings of the 2006 Nanotechnology Conference and Trade Show, V.1, pp.258-260.

[A10] Д.А.Антонов, Д.О.Филатов, Г.А.Максимов, А.В.Зенкевич, Ю.Ю.

Лебединский. Исследование электрофизических свойств тонких пленок ZrO2 и HfO2 после отжига в вакууме методами СЗМ и РФЭС // Мате риалы Всероссийского совещания «Нанофизика и наноэлектроника» (Н.

Новгород, 13-17 марта 2006). – С. 173-174.

[A11] Д.А.Антонов, Д.О.Филатов, А.В.Зенкевич, Ю.Ю.Лебединский.

Исследование электронных свойств нанокластеров Au в SiO2 методом комбинированной сканирующей туннельной / атомно-силовой микро скопии // Материалы Всероссийского совещания «Нанофизика и нано электро-ника» (Н.Новгород, 13-17 марта 2006). – С. 215-216.

[A12] М.А.Лапшина, Д.А.Антонов, Д.О.Филатов. Резонансное туннели рование в нанокластерах Au на поверхности тонких пленок SiO2/Si при исследовании методом комбинированной АСМ/СТМ // Материалы Все российского совещания «Нанофизика и наноэлектроника-2008» (Ниж ний Новгород, 10-14 марта 2008). – С.451-452.

[A13] Д.А.Антонов, Д.О.Филатов, А.В.Зенкевич, Ю.Ю.Лебединский.

Экспериментальное исследование резонансного туннелирования и куло новской блокады туннелирования на нанокластерах Au в сверхтонких слоях SiO2//Материалы Всероссийского совещания «Нанофизика и на ноэлектроника-2008» (Нижний Новгород, 10-14 марта 2008).–С.414-415.

[A14] Д.А.Антонов, Д.О.Филатов, А.В.Зенкевич, Ю.Ю.Лебединский.

Модификация и in situ исследование сверхтонких слоёв HfO2 на Si мето дом АСМ // Материалы Международного Симпозиума “Нанофизика и наноэлектроника-2009” (Н.Новгород, 16-20 марта 2009). Т.1–С.246-248.

[A15] D.O.Filatov, M.A.Lapshina, D.A.Antonov, O.N.Gorshkov, A.V. Zen kevich, Yu.Yu.Lebedinskii. Resonant tunnelling through individual Au nanoclusters embedded in ultrathin SiO2 films studied by Tunnelling AFM.

J. Phys. Conf. Series, 245, 012018 (2010).

Список цитированной литературы 1. S.Seal. Functional Nanostructures: Processing, Characterization, and Applications.

Springer, 2011.

2. C.Binns. Surf. Sci. Rep. 44, 1 (2001).

3. A.L.Stepanov, I.B.Khaibullin. Rev. Adv. Mater. Sci. 9, 109 (2005).

4. W.P.Halperin. Rev. Mod. Phys. 58, 533 (1986).

5. H.Hanafi, S.Tiwari, I.Khan. IEEE Trans.Electron Devices 43, 1553 (1996).

6. D. K.Ferry, S.M.Goodnick, J.Bird. Transport in Nanostructures. Cambridge Univ.

Press, 2009.

7. S.J.O'Shea, R.M.Atta, M.P.Murrell, M.E.Welland. J.Vac.Sci.Technol.B 13, (1995).

8. D.A.Antonov, O.N.Gorshkov, А.P.Kasatkin et al. PLDS 2004, №1/2, p.139.

9. V.Yanev, M.Rommel, M.Lemberger et al. Appl. Phys. Lett. 92, 252910 (2008).

10. A.Sawa. Mater. Today 11, 28 (2008).

11. A.V.Zenkevich, Yu.Yu.Lebedinskii, A.A.Timofeyev et al. Appl.Surf.Sci. 255, 5355 (2009).

12. L.Howald, E.Meyer, R.Lthi et al. Appl. Phys. Lett. 63, 117 (1993).

13. А.А.Бухараев, Н.В.Бердунов, Д.В.Овчинников и др. Микроэлектроника 26, 163 (1997).

14. Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц. Теория упругости. Наука, 1987.

15. L.Esaki, R.Tsu. IBM J. Res. Develop. 14, 61 (1970).

16. Л.Д.Ландау, Е.М.Лившиц. Квантовая механика: нерелятивистская теория.

Наука, 1989.

17. D.V.Averin, A.N.Korotkov, K.K.Likharev.Phys. Rev. B 44,6199 (1991).

18. D.S.Jeong, C.S.Hwang. J. Appl. Phys. 98, 113701 (2005).

19. R.Waser, M.Aono. Nature Materials 6, 833 (2007).

20. M.H.Lee, C.S.Hwang. Nanoscale 3, 490 (2011).

21. J.Ouyang. Nano Reviews 1, 5118 (2010).



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.