Формирование тонкопленочных слоев оксидов металлов методом реактивного импульсного лазерного осаждения и исследование их структурных и функциональных свойств тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Баранцев, Николай Сергеевич

• Баранцев, Николай Сергеевич
• кандидат физико-математических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Баранцев, Николай Сергеевич

Оглавление.

Список сокращений.

Введение.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Формирование тонкопленочных слоев оксидов металлов методом реактивного импульсного лазерного осаждения и исследование их структурных и функциональных свойств»

Наноэлектроника.6

Фотовольтаика.8

Спинтроника.9

Аи2Оз.11

Цель работы.12

Задачи.13

Научная новизна результатов, полученных в диссертации.13

Практическая значимость.14

Основные положения, выносимые на защиту:.14

Достоверность полученных результатов.15

Личный вклад автора.15

Апробация результатов работы.15

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Баранцев, Николай Сергеевич

Выводы

1. Разработана методика реактивного ИЛО для роста тонкопленочных слоев оксидов металлов путем абляции металла в атмосфере молекулярного или активированного кислорода

2. Установлена корреляция параметров роста со стехиометрией оксидного слоя, состоянием границы раздела и структурой запрещенной зоны.

3. Установлены два механизма формирования тонкопленочных оксидных слоев:

• в газовой фазе в процессе взаимодействия лазерной плазмы металла с кислородом при давлениях /?Ог>10 Па и осаждением образовавшихся кластеров оксидной фазы на подложке, •на поверхности подложки путем взаимодействия металлического конденсата с кислородом, адсорбированным в интервалах между импульсами осаждения при 10"5 Па <р0г <1 Па.

4. Установлена корреляция между электронейтральностью металла и реализуемым механизмом формирования его оксидной фазы при реактивном ИЛО.

5. Установлено, что при лазерной абляции An в атмосфере 02 при 10 Па < р0<11 Па на поверхности различных подложек возможно формирование слоя Аи^од, толщиной до 0,1. мкм по механизму взаимодействия в газовой фазе.

6. Получены условия формирования оксидных фаз ЕиО и Еи2Оэ путем реализации стехиометрических соотношений Ей и О на поверхности подложки в процессе реактивного ИЛО. fO 91

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Баранцев, Николай Сергеевич, 2009 год

1. Статьи по теме диссертации)

2. R. Mantovan, М. Georgieva, М. Fanciulli, A. Goikhman, N. Barantsev, Y. Lebedinskii, A. Zenkevich. Synthesis and characterization of Fe3Si/SiC>2 structures for spintronics. -Phys.stat.sol.(a), 2008, №205, c. 1753-1757.

3. Н.С. Баранцев, А.В. Зенкевич, Ю.Ю. Лебединский, И.П. Сипайло, В.П. Гладков, В.Н. Неволин. Реактивное импульсное лазерное осаждение тонкопленочных слоев НЮг на Si(100). Перспективные материалы, 2008, №6, с. 26-32.

4. R. Mantovan, С. Wiemer, A. Lamperti, М. Georgieva, М. Fanciulli, A. Goikhman, N. Barantsev, Yu. Lebedinskii, A. Zenkevich. Mossbauer spectroscopy study of interfaces for spintronics. Hyperfine Interactions, 2009, DOI 10.1007/sl0751-009-9982-z-в

5. G. D. Wilk, R. M. Wallace, J. M. Anthony. High-k gate dielectrics: Current status and materials properties considerations//.!. Appl. Phys. -2001.- vol. 89.-p. 5243.

6. E. P. Gusev, E. Cartier, D. A. Buchanan, M. Gribelyuk, M. Copel, H. Okorn-Schmidt, C. D'Emic. Ultrathin high-K metal oxides on silicon: processing, characterization and integration issues// Microelectronic engineering 2001.- vol. 59.- p. 2841

7. D.A. Buchanan. Scaling the gate dielectric: Materials, integration, and reliability// IBM J. Res. Develop 1999.-vol. 43.-p. 245

8. M. Filipescu, N. Scarisoreanu. High-k dielectric oxides obtained by PLD as solution for gates dielectric in MOS devices// Applied Surface Science.- 2007.- vol. 253 p. 8184

9. K. Yamamoto, S. Hayashi, M. Niwa. Electrical and physical properties of НЮ2 films prepared by remote plasma oxidation of Hf metal// Appl. Phys. Lett 2003 - vol. 83 - p. 2229

10. N. Lu, H.-J Li, J.J. Peterson. HfTiAlO dielectric as an alternative high-k gate dielectric for the next generation of complementary metal-oxide-semiconductor devices// Appl. Phys. Lett — 2007,-vol. 90.-p. 082911

11. G.P. Pollack, D. Trivich. Photoelectric properties of cuprous oxide// J.Appl. Phys.- 1975 vol 46,-p. 163

12. U. Trivich, E.Y. Wang, R.J. Komp, A.S. Kakar. Cuprous oxide photovoltaic cells// Proc. 13th IEEE Photovoltaic Spec. Conf., Washington, IEEE/New York.- 1978.-pp. 174-183

13. B.H. Подчайнова, Л.Н.Симонова. Медь. M.: Наука, 1990 - 279с.

14. С. Noguet, М. Tapiero, С. Schwab, J.P. Zielinger, D. Trivich, R.J. Komp, E.Y. Wang, K. Weng. Cuprous oxide as a photovoltaic converter// Proc. 1st E. C. Photovoltaic Solar Energy Conf./ Luxemburg, 1977.-pp. 1170-1181.

15. L.C. Olsen, F.W. Addis, W. Miller. Experimental and theoretical studies of Cu20// Solar cells-1982-1983.- vol. 7,- p. 247-279.

16. C. Kittel. Introduction to Solid State Physics, 5th ed.: Widey, New York, 1976 341 p.

17. P.W. Baumeister. Optical Absorption of Cuprous Oxide // Phys. Rev 1961-vol. 121-p. 359.

18. T. Valet, A. Fert. Theory of the perpendicular magnetoresistance in magnetic multilayers// Phys. Rev. В.- 1993.- vol.48.- pp.7099-7113

19. Zutic, J. Fabian, S. Das Sarma. Spintronics: Fundamentals and applications// Rev. Mod. Phys-2004,-vol.76.-p.323.

20. В. T. Matthias, R. M. Bozorth, J. H. Van Vleck. Ferromagnetic Interaction in EuO// Phys. Rev. Lett.-1961.-vol. 7,-p. 160

21. T. R. McGuire, M. W. Shafer. Ferromagnetic Europium Compounds// J. Appl. Phys 1964 - vol. 35.-p.984.

22. K. J. Hubbard, D. G. Schlom. Thermodynamic stability of binary oxides in contact with silicon// J. Mater. Res.- 1996,-vol. 11,- p. 2757

23. M. R. Oliver, J. O. Dimmock, A. L. McWhorter, Т. B. Reed. Conductivity Studies in Europium Oxide// Phys. Rev. В.- 1972,- vol. 5,- p. 1078

24. Y. Shapira, S. Foner, and Т. B. Reed. EuO. I. Resistivity and Hall Effect in Fields up to 150 kOe// Phys. Rev. В.- 1973,- vol. 8-№5.-p. 2299.

25. K. Y. Ahn, J. C. Suits. Preparation and properties of EuO films// IEEE Trans. Magn — 1967 vol. 3 — pp.453-455

26. P. G. Steeneken, L. H. Tjeng, I. Elfimov, G. A. Sawatsky, G. Ghiringhelli, N. B. Brookes, and D.-J. Huang. Exchange Splitting and Charge Carrier Spin Polarization in EuO// Phys. Rev. Lett — 2002,-vol. 88,-p. 047201.

27. D.H. Parker, B.E. Koel. Chemisorption of High Coverages of Atomic Oxygen on The Pt(lll), Pd(lll), and Au(l 11) Surfaces//J. Vac. Sci. Technol. A.- 1990.- vol.8.-p.2585.

28. N. Saliba, D.H. Parker, B.E. Koel. Adsorption of Oxygen on Au(lll) by Exposure to Ozone// Surf. Sci.- 1998,- vol. 410.- pp.270-282.

29. D.E. King. Oxidation of Gold by Ultraviolet Light and Ozone at 25°C// J. Vac. Sci. Technol. A, Vac. Surf. Films.- 1995,-vol.13.-p. 1247

30. A. Krozer, М. Rodahl. X-ray Photoemission Spectroscopy Study of UV/Ozone Oxidation of Au Under Ultrahigh Vacuum Conditions// J. Vac. Sci. Technol. A, Vac. Surf. Films.- 1997 vol. 15-p.1704

31. D.D. Eley, P.B. Moore. Adsorption of Oxygen on Gold// Surf. Sci.- 1978.- vol. 76.- pp. 599602

32. T. Dickinson, A.F. Povey, P.M.A. Sherwood. X-ray Photoelectron Spectroscopic Studies of Oxide Films on Platinum and Gold Electrodes//JCS, Faraday Trans.- 1975- vol. 71.-p. 298

33. M. Peuckert, F.P. Coenen, H.P. Bonzel. On the surface oxidation of a gold electrode in IN H2SO4 electrolyte//Surf. Sci 1984,-vol.141.-p. 515

34. Y.T. Kim, R.W. Collins, K. Vedam. Fast scanning Spectroelectrochemical Ellipsometry: In-situ Characterization of Gold Oxide// Surf. Sci. 1990.-vol. 233,- p. 341

35. K. Juodkazis, J. Juodkazyte, V. Jasulaitiene, A. Lukinskas, B. Sebeka. XPS Studies on the Gold Oxide Surface Layer Formation// Electrochem. Commun. 2000 vol.2.— p. 503

36. C.R. Aita, N.C. Tran. Core Level and Valence Band X-ray Photoclectron Spectroscopy of Gold Oxide//J. Vac. Sci. Technol. A, Vac. Surf. Films.- 1991.-vol. 9.-p. 1498

37. L. Maya, M. Paranthaman, T. Thundat, M.L. Bauer. Gold Oxide As Precursor to Gold/Silica Na-nocomposites// J. Vac. Sci. Technol. В.- 1996-vol. 14.-pp. 15-21.

38. A.M. Klumb, C.R. Aita, N.C. Tran. Sputter Deposition of Gold in Rare-gas (Ar,Ne)-02 Discharges//J. Vac. Sci. Technol. A, Vac. Surf. Films.- 1989.- vol. 7.-p. 1697

39. J.J. Pireaux, M. Liehr, P.A. Thiry, J.P. Delrue, R. Caudano. Electron Spectroscopic Characterization of Oxygen Adsorption on Gold Surfaces: II. Production of Gold Oxide in Oxygen DC Reactive Sputtering// Surf. Sci.- 1984.-vol. 141.- p. 221

40. H. Ron, I. Rubenstein. Alkanethiol Monolayers on Preoxidized Gold. Encapsulation of Gold Oxide under an Organic Monolayer// Langmuir 1994 - vol. 10 - p. 4566

41. F. Machalettt, К. Edinger, J. Melngailis. Direct Patterning of Gold Oxide Thin Films by Focused lon-beam Irradiation// Appl Phys, A 2000-vol. 71.-p. 331

42. G.K. Hubler. Comparison of Vacuum Deposition Techniques. Pulsed Laser Deposition of Thin Films: Wiley, New York, 1994, pp. 327-355.

43. Z. PaAszti, G. PetoA, Z.E. HorvaAth, A. Karacs. Laser Ablation Induced Formation of Nanopar-ticles and Nanocrystal Networks//Appl. Surf. Sci-2000-vol. 168—pp.114-117

44. Z. PaAszti, Z.E. HorvaAth, G. PetoA, A. Karacs, L. Guczi. Pressure Dependent Formation of Small Cu and Ag Particles During Laser Ablation//Appl. Surf. Sci.- 1997.-vol. 109/110,- p. 67

45. M. Filipescu, N. Scarisoreanu, V. Craciun, et al. High-k Dielectric Oxides Obtained by PLD as Solution for Gates Dielectric in MOS Devices// Appl Surf Sci.- 2007.- vol. 253(19) .- pp.81848191

46. G. ReiBe, B. Keiper, S. WeiBmantel, et al. Properties of Laser Pulse Deposited Oxide Films// Thin Solid Films.- 1994,- vol. 241.- issues 1-2.-pp.119-125

47. H. Koinuma, M. Yoshimoto. Controlled Formation of Oxide Materials by Laser Molecular Beam Epitaxy// Appl Surf Sci.- 1994,-vol. 75,- pp. 308-319

48. M. Lorenz, H. Hochmuth, J. Lenzncr, et al. Room-temperature Cathodoluminescence of N-type ZnO Thin Films Grown by Pulsed Laser Deposition in N2, N20 and 02 Background Gas// Thin Solid Films.- 2005.- vol. 486.- pp.205-209

49. V. Cracium, J. Howard, N. Bassim. Low-temperature Growth of High-k Thin Films by Ultra-viloet Assisted Pulsed Laser Deposition//Appl Surf Sci-2000-vol. 168-pp. 123-126

50. L. Wang, P. Chu, A. Anders. Effects of Ozone Oxidation on Interfacial and Dielectric Properties ofThin НЮ2 Films//Journal of Appl Phys. 2008.-vol. 104.- p. 054117

51. C. Driemeier, R. Wallace, I. Baumvol. Oxygen Species in НЮ2 Films: An In-situ X-ray Photoe-lectron Spectroscopy Study// Journal of Appl. Phys 2007.- vol. 102 p. 024112

52. R. Jiang, E. Xie, Z. Wang. Interfacial Chemical Structure of НЮ2 /Si Film Fabricated by Sputtering// Appl. Phys. Lett.-2006.-vol. 89,-p. 142907

53. M. Cho, Y. Roh, С. Whang, et. al. Thermal Stability and Structural Characteristics of НЮ2 Films on Si (100) Grown by Atomic Layer Deposition//Appl. Phys. Lett- 2002- vol.81.-p.472

54. R. Opila, G. Wilk, M. Alam, et al. Photoemission Study of Zr- and Hf-silicates For Use As High-ft Oxides: Role of Second Nearest Neighbors And Interface Charge// Appl. Phys. Lett 2002 - vol. 81.-p.1788

55. W. Scopel, A. da Silva, W. Orellana, et al. Comparative Study of Defect Energetics in НГО2 and Si02//Appl. Phys. Lett-2004.-vol. 84.-p. 1492.

56. J. Ghijsen, H. Tjeng, J. van Elp, et al. Electronic Structure of Cu20 and CuO// Phys Rev B.-1988,-vol. 3816.-p.ll322

57. A. van Dijken, J. Makkinjc, A. Meijerink. The Influence of Particle Size on The Luminescence Quantum Efficiency of Nanocrystalline ZnO Particles// J. Lumin 2001vol. 92 - p. 323.

58. K. Forsgren, A Harsta, J. Aarik, A. Aidla, J. Westlinder, J. Olsson. Deposition of Hf02 Thin Films in Hfl4-Based Processes// J. Electrochem. Soc.- 2002,- vol. 149.- F139

59. J. W. Park, D.K. Lee, D. Lim, et. al. Optical Properties of Thermally Annealed Hafnium Oxide and Their Correlation With Structural Change// Journal Of Applied Physics 2008 - vol. 104- p. 033521

60. J. Hsieh, P. KuO, K. Peng, et al. Opto-electronic Properties of Sputter-deposited Cu20 Films Treated With Rapid Thermal Annealing//Thin Solid Films-2008.-vol.516.-pp. 5449-5453

61. P. G. Steeneken. New Light on EuO Thin Films. Preparation, Transport, Magnetism and Spectroscopy of a Ferromagnetic Semiconductor: PhD thesis/ University of Groningen, 1974. 152p.

62. H. H. Рыкалин, А. А. Углов, Ф. H. Кокора. Лазерная обработка материалов: Машиностроение, 1975.-296с.

63. Ю. А. Быковский, С. М. Сильнов, Е. А. Сотниченко. Масс-спектрометрическое исследование нейтральных частиц лазерной плазмы// ЖЭТФ- 1987 т. 93 - с. 500

64. А. В. Зенкевич. Структуро- и фазообразование в лазерно-осаждённых слоях силицидов металлов: дис. канд. физ. мат. наук: 01.04.07/ МИФИ, 1997

65. Р. С. Zalm. Some Useful Estimates For Ion Beam Sputtering And Ion Plating at Low Bombarding Energies// J. Vac. Sci. Tech.- 1984,- B2 p. 151

66. A. Gupta, B. W. Hussey. Laser Deposition of Yttrium Barium Copper Oxide (УВа2Сиз075) Films Using a Pulsed Oxygen Source// Appl. Phys. Lett.- 1991.-vol. 58.-pp. 1211-1213

67. M. Strikovski, J. H. Miller Jr. Pulsed Laser Deposition of Oxides: Why The Optimum Rate Is About 1 A Per Pulse// APL 1998 - vol. 73.- p. 1733.

68. P. R. Willmott, J. R. Huber. Pulsed Laser Vaporization and Deposition// Reviews of Modern Physics-2000,- vol. 72 -p. 315.

69. D. Briggs. Practical Surface Analysis by Auger and X-Ray Photoelectron Spectroscopy: John Wiley & Sons, Cleveland, 1983 598 p.

70. P. D. Kirsch, M. A. Quevedo-Lopez. Nucleation And Growth Study of Atomic Layer Deposited НЮ2 Gate Dielectrics Resulting In Improved Scaling and Electron Mobility// Journal Of Applied Physics 2006.- vol. 99 - p. 23508

71. D.G. Seiler, A.C. Diebold, R. McDonald, C.R. Ayre, R.P. Khosla. Characterization and Metrology for ULSI Technology 2005// AIP Conference Proceedings, Richardson, Texas, Springer-2005.-p. 667.

72. J. Aarik, H. Mandar, M. Kirm, L. Pung. Optical Characterization of НГО2 Thin Films Grown by Atomic Layer Deposition// Thin Solid Films 2004.- vol.466.- p.41

73. T. Sekiya, K. Ishimura, M. Igarashi, S. Kurita. Absorption Spectra of Anatase ТЮ2 Single Crystals Heat-treated Under Oxygen Atmosphere// Phys. Chem. Solids-2000-vol. 61- p. 1237.

74. M. F. Hochella Jr., A. H. Carim. A Reassessment of Electron Escape Depths in Silicon and Thermally Grown Silicon Dioxide Thin Films// Surface Science Letters — 1988.- vol. 197— pp. L260-L268

75. V. Cracium, R.K. Singh. Ultraviolet-assisted Pulsed Laser Deposition of Thin Oxide Films// Appl. Surf. Sci.-2000.-vol.168.-p.239

76. К. Hauffe. Oxidation of Metals: Plenum Press, New York, 1965, 161 p.

77. J. Y. Shin. An Oxidation Study of Thin Evaporated Copper Films by Electron Diffraction: Ph. D. Thesis, Cornell University, 1966

78. D. C. Lim, I. Lopez-Salido, R. Dietsche, M. Bubek, Y. D. Kim. Oxidation of Au Nanoparticles on HOPG Using Atomic Oxygen// Surface Science.- 2006.- vol. 600.- p.507-513

79. Ю.А. Быков, С.Д. Карпухин, Е.И. Газукина. О некоторых особенностях структуры и свойств металлических тонких плёнок// МиТОМ — 2000 — №6 — С.45-47