СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КВАЗИБИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СТРУКТУР ОКСИДА ЦИНКА Российский патент 2003 года по МПК H01L21/363 

Изобретение относится к области электронного материаловедения.

Известно об использовании бикристаллических подложек для выращивания эпитаксиальных слоев (ЭС) и формирования субмикронных устройств электроники на межблочных границах: Y-Ba-Cu-O джозефсоновские ВТСП переходы и их цепочки, устройств с колоссальным магнетосопротивлением на базе La-Ca-Mn-O и т. д., обладающих, как правило, большей (от нескольких раз до нескольких порядков) эффективностью по сравнению с такими же устройствами, изготовленными по обычной планарной технологии [1, 2]. Известно также о методе формирования межзеренных переходов в ВТСП-слоях на монокристаллических подложках с применением буферных слоев [3].

Ближайшим по технической сущности к заявленному является способ, описанный в [3], в котором показано, что использование буферных слоев позволяет на одной монокристаллической подложке получать ЭС ВТСП материалов двух различных ориентаций и формировать на границе межзеренные переходы. В то же время, очевидно, что как подбор подложек для получения ЭС, так материал и способ нанесения буферных слоев имеют свои особенности для каждого соединения и способ [3] не является универсальным. Заметим, например, что получение подобных структур элементарных полупроводников Si, Ge этим методом проблематично.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в разработке способа получения квазибикристаллической структуры оксида цинка, включающего использование структурного перехода между блоками различных кристаллических ориентаций, отличающийся тем, что на первой стадии формирования перехода часть монокристаллической подложки Аl₂O₃ закрывают маской заданной формы, методом магнетронного распыления (ММР) при температурах подложки, не превышающих 500 К, наносят тонкий высокотекстурированный слой оксида цинка базисной ориентации, на второй стадии убирают маску и методом химических транспортных реакций в проточном реакторе пониженного давления (ПРПД) наносят на всю поверхность подложки ЭС, формирующий искомую структуру.

В экспериментах использовались подложки Аl₂O₃ площадью 2•2 см². На первой стадии часть подложки закрывалась маской, а на другую часть ММР из предварительно спрессованной мишени оксида цинка марки ОСЧ наносилась пленка толщиной 20-50 нм. Ток разряда не превышал 100 мA, температура подложки - 470 К, состав газа - Аr:O₂(4:1). Известно, что ММР формирует (по крайней мере в диапазоне температур подложек до 500 К) текстурированные слои базисной ориентации. Получение текстуры высокой ориентации на части площади подложки контролировалось структурными методами. На второй стадии подложка перемещалась в ПРПД и методом ХТР в атмосфере водорода проводилось выращивание ЭС оксида цинка до толщин 3-5 μm на всей площади подложки. При этом температуры в зонах испарения и осаждения составляли соответственно 1030 и 920 К. Подробное описание конструкции реактора и метода оптимизации технологических режимов проведено в [4].

Изучение микроморфологии и структурных особенностей показало, что на части подложки с предварительно нанесенной пленкой ММР растут ориентированные слои (0001)ZnO, в то время как на чистой части поверхности Аl₂O₃ формируются слои ZnO. Результаты изучения морфологии поверхности обеих частей слоев представлены на фиг.1, где можно видеть характерные для указанных ориентаций фигуры роста.

Рентгенодифракционные исследования проводились на дифрактометре ДРОН-2 с использованием Cu_Kα - излучения, монохроматизированного с помощью кристалла пирографита. На фиг.2 приведены дифрактограммы слоев оксида цинка: а - полученной без промежуточного слоя на чистой поверхности Аl₂O₃ - характерная дифрактограмма ЭС ZnO, b - с части подложки с предварительно нанесенной пленкой ММР и соответствующий ЭС базисной ориентации.

Таким образом, использование двухстадийного метода позволяет на поверхности одной подложки -Аl₂O₃ получать ЭС ZnO двух ориентаций, а именно: ZnO и (0001)ZnO с четко выраженной границей между ними, ширина которой в наших экспериментах не превышала 3 μm и обусловлена точностью экранирования на первой стадии - не допускающей подпыления на закрытую часть подложки.

Очевидно, что для получения последовательности цепочек подобных переходов требуются только соответствующие маски для экранирования на первой стадии формирования структур.

Использование предлагаемого способа связано с возможностью изготовления планарных устройств микроэлектроники на базе ZnO с улучшенными параметрами:
- варисторы - увеличение степени нелинейности;
- газовые датчики (Н₂, пары органических веществ, аммиак и др.) - увеличение чувствительности и селективности.

Подписи к рисункам
Фиг. 1 - морфология ЭС ZnO, выросших: а - плоскостью ZnO и b - плоскостью (0001) ZnO параллельно плоскости одной подложки Аl₂O₃, •350.

Фиг. 2 - дифрактограммы ЭС ZnO, полученных методом ХТР: а - на чистой поверхности сапфира и b - с использованием промежуточного ММР- слоя.

Источники информации
1. Маштаков А.Д., Константинян К.И., Овсянников ГА., и др. Письма в ЖТФ, 1999, т. 25, в. 7, с. 1-8.

2. Mathur N.D., Burnell G., Isaac S.P. et al. Nature, 1997, 387, 266-268.

3. Metod of forming grain boundary junctions in high temperature superconductor films; Patent US 5366953, H 01 L 39/22, 22.11.1994.

4. Абдуев А.Х., Атаев Б.М., Багамадова А.М. Известия АН СССР. Неорг. материалы, 1987, N 11, с. 1928.2

Использование: в электронном материаловедении. Сущность: методом магнетронного распыления с использованием маски наносят тонкий текстурированный слой базисной ориентации на часть монокристаллической подложки Al₂O₃, температура которой не превышает 500 К. Выращивают на всей поверхности подложки методом химических транспортных реакций эпитаксиальные слои, обеспечивающие формирование выраженного структурного перехода (0001) ZnO и ZnO. Технический результат изобретения заключается в получении квазибикристаллических структур оксида цинка. 2 ил.

Способ получения квазибикристаллических структур оксида цинка, включающий нанесение методом магнетронного распыления с использованием маски тонкого текстурированного слоя базисной ориентации на часть монокристаллической подложки Al₂O₃, температура которой не превышает 500К, и последующее выращивание на всей поверхности подложки методом химических транспортных реакций эпитаксиальных слоев, обеспечивающих формирование выраженного структурного перехода (0001) ZnO и ZnO.