Синтез гетероструктур Si3N4/SiO2/Si и исследование свойств парамагнитных центров, устойчивых при различных температурах отжига

ГФ ИРН AP09562076

Конкурс: ГФ по ННТП на 2021-23 гг. со сроком реализации 12 месяцев (МОН РК)

Тема: «Синтез гетероструктур Si3N4/SiO2/Si и исследование свойств парамагнитных центров, устойчивых при различных температурах отжига»

Цель:  Разработка процесса, воспроизводимого и низкозатратного создания наноструктурированных материалов системы Si3N4/SiO2/Si c квантовыми точками кремния и возможностью применения в качестве светоизлучающих структур

Актуальность: Одним из актуальным вопросов для микроэлектроники на сегодняшний день является минимизация размеров чипов без потерь качества их работы. Барьером в данном вопросе является увеличение плотности металлических линий и ограничение скорости обмена данными между отдельными элементами интегральной схемы. Решение данной проблемы основано на реализации оптической системы передачи данных, главным преимуществом которой является огромная пропускная способность.

Создание излучателя света должно основываться на материалах, хорошо интегрированных в планарную кремниевую технологию. Нитрид и оксид кремния самые распространенные диэлектрики, применяемые в микроэлектронике. При изменении стехиометрического состава нитрида возникают хвостовые энергетические состояния зон проводимости и валентной зоны, и свечение образцов происходит практически во всем видимом спектре

Руководитель: Мурзалинов Данатбек Онгарбекович - PhD, заведующий лабораторией, Scopus Author ID: 57193351552; ORCID ID 0000-0001-6519-1969. Специалист в области материаловедения и физики конденсированного состояния. Направление и характер работы: курирование всех направлений работ, постановка экспериментов, подготовка и защита отчетов, публикаций, анализ и теоретическое обобщение результатов экспериментов.

Исполнители:

1. Федосимова Анастасия Игоревна - PhD, старший научный сотрудник ФТИ, Индекс Хирша-2. Author ID в Scopus – 57188704820; Researcher ID Web of Science - AAD-5106-2020; ORCID ID 0000-0001-9607-6074. Направление и характер работы: Корреляционное моделирование, теоретическое обоснование экспериментальных результатов, постановка экспериментов с учетом моделирования.

Краткий отчет и достигнутые результаты

Были подобраны оптимальные условия синтеза образцов методом плазмохимического осаждения (PECVD). Получены образцы с различным содержанием избыточного кремния в составе. Определена структура образцов методом XRD и элементный состав. Применение рентгеноструктурного анализа к образцам SiO2/Si показало наличие стехиометрического оксида кремния в составе образца. Использование данного метода для образцов SiNx/SiO2/Si не целесообразно так как нитрид имеет случайную сетку атомов в виду нестехиометричности. Анализ состава и распределения вещества в объеме образца определенные с помощью резерфордовского обратного рассеяния показал наличие кремния и азота в нитридной пленке. Нитридный слой имеет одинаковую толщину для всех образцов.

Изучена морфология поверхности образцов, с помощью метода СЭМ. Показано, что морфология поверхности ровная, без регулярных образований.

Изучены состояния на границе раздела сред Si3N4 и SiO2, SiO2 и Si методом ПЭМ. Причина образования неоднородностей в образцах 1 и 2 состоит в локальной флуктуации плотности нитридной пленки. Идентификация темных образований на светлом фоне для образцов 3 и 4 показала, что это нанокластеры кремния в матрице нитрида кремния. Методом КРС эти данные были подтверждены.

Исследованы светоизлучающие характеристики методом фотолюминесценции. Причиной излучательных переходов являются К и N парамагнитные центры. Для исходных образцов с избытком кремния, а также после отжига при 600оС концентрация К-центров растет. В данных условиях время жизни таких частиц увеличивается. При дальнейшем росте температуры отжига до 1100оС, К-центры рекомбинируют но образуются N-центры.

Доказано, что с повышением концентрации азота в составе нитридной пленки увеличивается ширина запрещенной зоны. Была оценена величина энергетического зазора между зоной проводимости и К-центром. При x = 1,5 эта величина составляет 2,9 эВ и при х = 1,1 равна 1,86 эВ.

Был отработан процесс формирования прозрачного проводящего покрытия на основе SnO2, для повышения концентрации фотонов света, проникающих в структуру образца. Синтез покрытия увеличивает эффективность работы мемристивной памяти на основе нитрида кремния. При увеличении pH пленкообразующей системы в диапазоне от 1,4 до 1,49, обнаружен рост поверхностных структур, связь между которыми устойчива. Коэффициент пропускания таких пленок снижается к минимуму при pH=1,49. Доказано, что при повышении концентрации NH4OH в растворе скорость коагуляции частиц и размеры кластерных структур увеличиваются. Переход от поверхностного образования структуры к объемному происходит в точке pH=1,49. Данные изменения влияют отражение света и поверхностное сопротивление покрытия.

Технология светодиода на основе структур Si3N4/SiO2/Si будет применена компаниями по производству микросхем.

Экономический эффект состоит разработке излучателя света на основе нитрида и оксида кремния, что позволит снизить себестоимость микросхем, так как будет использован энергоэкономный метод получения структур PECVD.

Впервые были применены два метода повышающие точность ЭПР спектроскопии. В частности, значимый результат был получен методом усреднения сигнала и методом накопления сигнала вдоль спектра.

Результаты были доложены в Международных конференциях и опубликованы:

1. Murzalinov D. et al. The effect of pH solution in the sol-gel process on the structure and properties of thin SnO2 films// Materials Research Express (Q3, percentile- 65%). –2022. (подана)

2. Мурзалинов Д.О., Шайкенова А.А., Умирзаков А.Г., Федосимова А.И., Дмитриева Е.А., Ракыметов Б.А. Образование K и N радиационных центров и нанокластеров кремния на их основе как причина повышения интенсивности фотолюминесценции нитрида кремния// IX Международная научно-практическая конференция «Наука и образование в современном мире: Вызовы ХХI века».– 2021.C.31-34.

3. Murzalinov D. et al. Intensive formation of K radiative centers in silicon nitride by implantation with carbon ions// The XXV International Scientific Conference of Young Scientists and Specialists (AYSS-2021). –2021. –ID:894. https://indico.jinr.ru/event/2338/contributions/14353/