Способ получения гетероструктуры Mg(FeGa)O/Si со стабильной межфазной границей

Изобретение относится к области создания пленок ферритов на подложках кремния для устройств магнитной микроэлектроники.

Известно, что галлий-замещенный феррит магния состава Mg(Fe_1-xGa_x)₂O₄, где х=0.05÷0.25, характеризуется полупроводниковой проводимостью (ширина запрещенной зоны ΔЕ=1.9 эВ), температурой Кюри 450 К, коэрцитивной силой ~ 0.02 Тл, величиной намагниченности насыщения ~ 28 А⋅м²⋅кг^-1 [RU 2436859]. Эти свойства предопределяют перспективность создания пленок Mg(Fe_1-xGa_x)₂O₄, где х=0.05÷0.25, на подложках кремния для применения в спинтронике. Основным требованием к таким структурам является стабильность межфазной границы пленка/подложка.

Известен способ получения наноразмерных пленок ферритов [RU 2532187], который включает изготовление мишени заданного состава, обработку монокристаллической подложки ионами аргона, распыление мишени на подложку с дальнейшим отжигом полученной пленки, при этом процесс распыления осуществляют на подогретую до температуры 700-750°С подложку титаната стронция.

Недостатком способа является разогрев подложки и пленки в процессе синтеза и кристаллизации пленки, который приводит к нарушению стабильности межфазных границ.

Известен способ получения пленок ферритграната состава Y₃Fe₅O₁₂ на Si толщиной 300 нм с буферным слоем SiO₂ толщиной 300 нм [Xin Guo, Ying Chen, Genshui Wang, Yuanyuan Zhang, Jun Ge, Xiaodong Tang, Freddy Ponchel, Denis Remiens, Xianlin Dong Growth and characterization of yttrium iron garnet films on Si substrates by Chemical Solution Deposition (CSD) technique // Journal of Alloys and Compounds 671 (2016) 234-237].

Недостатком способа является то, что толщина слоя SiO₂ составляющая 300 нм затрудняет передачу магнитных возбуждений от пленки Y₃Fe₅O₁₂ в подложку кремния.

Известен способ получения поликристаллических пленок феррита состава CoCrFeO₄ [Полякова К.П., Поляков В.В., Середкин В.А. Магнитооптические свойства поликристаллических пленок CoCrFeO₄ // Письма в ЖТФ, 2011, т. 37, вып. 3]. Способ заключается в том, что процесс синтеза ведут как в режиме изотермического отжига при температурах 900-950 K, так и методом самораспространяющегося синтеза. В последнем случае пленочную структуру помещали на вольфрамовый нагреватель и нагревали со скоростью не менее 20 К/сек. до температуры начала самораспространяющегося синтеза, составляющей ~900 K.

Основным недостатком этого подхода является неизбежное формирование в гетероструктуре сквозных трещин, что ускоряет диффузионные процессы в пленке по границам зерен и приводит к нарушению межфазных границ.

Ближайшим техническим решением заявляемого изобретения являются гетероструктуры, состоящие из пленок Mg(Fe_0.8Ga_0.2)₂O₄^__δ на подложках Si с буферными слоями либо SiO₂, либо TiO₂ [М.Н. Смирнова, А.А. Гераськин, А.И. Стогний, О.Л. Голикова, А.В. Беспалов, А.В. Труханов, М.А. Копьева, Э.Н. Береснев, В.А. Кецко Кристаллизация пленок Mg(Fe_0.8Ga_0.2)₂O_4-δ на Si с буферными слоями SiO₂ и ТiO₂ // Журнал неорганической химии, 2014, том 59, №7, с. 993-997].

Основным недостатком является то, что относительно высокая температура термической обработки при 850 до 950°С, необходимая для кристаллизации пленки феррита, вызывает диффузионные процессы. Наблюдается нарушение сплошности межфазной границы пленка/ подложка с образованием примесных фаз.

Вторым недостатком гетероструктур по прототипу является наличие между пленкой и подложкой буферного слоя, относительная толщина которого превышает 10 нм, что существенно затрудняет передачу магнитных возбуждений, например спина, от пленки шпинели Mg(Fe_0.8Ga_0.2)₂O₄ в подложку кремния.

Также существенным недостатком является образование в пленках пустот и сквозных трещин, появляющихся в процессе высокотемпературной кристаллизации из-за рассогласования кристаллографических параметров пленки, подложки и буферного слоя.

Задачей предлагаемого изобретения является создание гетероструктур, состоящих из подложки кремния с нанесенными на нее пленками состава Mg(Fe_1-xGa_x)₂O₄, где х=0.05÷0.25.

Изобретение направлено на обеспечение стабильности межфазной границы пленка/подложка за счет использования режима кристаллизации пленки Mg(Fe_1-xGa_x)₂O₄, где х=0.05÷0.25, при относительно низких температурах нагрева подложки.

Межфазную границу в пленочной гетероструктуре следует считать стабильной в том случае, если область контакта пленка/подложка характеризуется наноразмерной толщиной, отсутствием дефектов и нарушением сплошности. Дефекты, искажения и пустоты, приводящие к деградации свойств гетероструктуры, должны отсутствовать как в ее объеме, так и на поверхности пленки Mg(Fe_1-xGa_x)₂O₄.

Технический результат достигается тем, что предложен способ получения гетероструктуры Mg(Fe_1-xGa_x)₂O₄/Si со стабильной межфазной границей пленка/подложка, где х=0.05÷0.25., включающий нанесение на полупроводниковую подложку монокристаллического кремния пленки галлий-замещенного феррита магния Mg(Fe_1-xGa_x)₂O₄, где х=0.05÷0.25, отличающийся тем, что нанесение пленки проводят в 5 этапов: на 1-ом этапе на подложку Si ионно-лучевым методом наносят слой галлий-замещенного феррита магния толщиной от 10 до 20 нм, распыляя порошкообразную мишень галлий-замещенного феррита магния пучком ионов кислорода с энергией от 1500 до 1600 эВ и плотностью тока пучка ионов от 0.1 до 0.25 мА/см²; на 2-м этапе проводят кристаллизацию полученного слоя путем нагревания со скоростью 150°С/мин до температуры 700-720°С и выдерживанием в течение 2-3 мин с последующим охлаждением, на 3-м этапе кристаллическую пленку пучком ионов кислорода с энергией 300-400 эВ и плотностью тока пучка от 0.1 до 0.25 мА/см² утончают до толщины 2-4 нм; на 4-м этапе на утонченный кристаллический слой галлий-замещенного феррита магния ионно-лучевым методом повторно наносят слой феррита того же состава, что и на первом этапе, до толщины пленки, не превышающей 80 нм, распыляя порошкообразную мишень галлий-замещенного феррита магния пучком ионов кислорода энергией от 1500 до 1600 эВ и плотностью тока пучка ионов от 0.1 до 0.25 мА/см²; на 5-м этапе проводят повторную кристаллизацию пленки галлий-замещенного феррита магния на подложке монокристаллического кремния.

Толщину напыленного слоя Mg(Fe_1-xGa_x)₂O₄, где х=0.05÷0.25, от 10 до 20 нм, на первом этапе формирования гетероструктуры Mg(Fe_1-xGa_x)₂O₄/Si выбирают из соображений, что при толщине слоя Mg(Fe_1-xGa_x)₂O₄, где х=0.05÷0.25, меньше 10 нм магнитные свойства после кристаллизации пленки Mg(Fe_1-xGa_x)₂O₄ практически не проявляются, а при толщине слоя более 20 нм необходимо увеличивать температуру кристаллизации пленки Mg(Fe_1-xGa_x)₂O₄, где х=0.05÷0.25, что может приводить к нарушению межфазных границ.

Выбор температуры кристаллизации 700-720°С гетероструктуры Mg(Fe_1-xGa_x)₂O₄/Si, скорости 145-155°С/мин ее нагрева до указанной выше температуры, а также времени выдержки 2-3 мин на втором этапе процесса формирования Mg(Fe_1-xGa_x)₂O₄/Si обусловлено тем обстоятельством, что указанные выше условия установлены экспериментально и являются оптимальными для кристаллизации пленки Mg(Fe_1-xGa_x)₂O₄ при относительно низкой температуре нагрева подложки Si.

Значения толщины утончаемого слоя Mg(Fe_1-xGa_x)₂O₄, где=0.05÷0.25, 2-4 нм на третьем этапе формирования Mg(Fe_1-xGa_x)₂O₄/Si выбирают из соображений, что при толщине слоя меньше 2 нм происходит резкий рост электросопротивления, что отрицательно сказывается на достижении полупроводниковых характеристик, а также нарушается сплошность пленки на подложке кремния. При толщине слоя более 4 нм происходит релаксация внутренних упругих напряжений с образованием дефектов, что приводит к деградации свойств гетероструктуры.

Ограничения на толщину гетероструктуры Mg(Fe_1-xGa_x)₂O₄/Si 80 нм на четвертом этапе процесса ее формирования обусловлены тем, что при толщине слоя больше 80 нм происходит образование дефектов в пленке и на межфазной границе вплоть до ее отслоения от подложки Si.

Достижение технического результата иллюстрируется изображениями, полученными с помощью растрового (сканирующего) электронного микроскопа Helios NanoLab 600, который содержал модуль с фокусированным ионным пучком.

Фиг. 1.

а - изображение поперечного среза гетероструктуры, состоящей из пленки Mg(Fe_0.95Ga_0.05)₂O₄ на подложке Si с барьерным слоем SiO₂, полученной заявителем при воспроизведении прототипа;

б - изображение поперечного среза гетероструктуры Mg(Fe_0.95Ga_0.05)₂O₄/Si, полученной заявителем.

Фиг. 2.

а - изображение поперечного среза гетероструктуры, состоящей из пленки Mg(Fe_0.75Ga_0.25)₂O₄ на подложке Si с барьерным слоем SiO₂, полученной заявителем при воспроизведении прототипа;

б - изображение поперечного среза гетероструктуры Mg(Fe_0.75Ga_0.25)₂O₄/Si, полученной заявителем.

Фиг. 3.

а - изображение поперечного среза гетероструктуры, состоящей из пленки Mg(Fe_0.8Ga_0.2)₂O₄ на подложке Si с барьерным слоем SiO₂ по прототипу;

б - изображение поперечного среза гетероструктуры Mg(Fe_0.8Ga_0.2)₂O₄/Si, полученной заявителем;

в - изображение поверхности пленки Mg(Fe_0.8Ga_0.2)₂O₄ в гетероструктуре по прототипу;

г - изображение поверхности пленки Mg(Fe_0.8Ga_0.2)₂O₄ в гетероструктуре, полученной заявителем.

Ниже приведены примеры способа изготовления пленки Mg(Fe_1-xGa_x)₂O₄, где=0.05÷0.25, на подложке монокристаллического кремния. Примеры иллюстрируют, но не ограничивают предложенный способ.

Пример 1. Формирование пленки Mg(Fe_0.95Ga_0.05)₂O₄ на подложке монокристаллического кремния проводилось следующим образом. На поверхность Si после ее очистки от посторонних примесей наносили пленку Mg(Fe_0.95Ga_0.05)₂О₄ из мишени, которая представляла собой диск состава Mg(Fe_0.95Ga_0.05)₂O₄, диаметром 8 см, толщиной 4 мм, чистотой не хуже 99.98%.

Распыление мишени производилось ионно-лучевым методом пучком ионов кислорода с энергией 1500 эВ и плотностью тока пучка ионов 0.1 мА/см² в вакууме не хуже 0.2 Ра.

При этом формирование пленки происходило в 5 этапов: первоначально на подложку Si наносили слой Mg(Fe_0.95Ga_0.05)₂O₄ толщиной 10 нм.

На 2-м этапе проводили кристаллизацию слоя Mg(Fe_0.95Ga_0.05)₂O₄ на подложке кремния путем нагревания со скоростью 145°С/мин до температуры 720°С, выдержки в течение 3 мин и охлаждения, что приводило к получению кристаллической пленки Mg(Fe_0.95Ga_0.05)₂O₄.

На 3-м этапе пучком ионов кислорода с энергией 300 эВ кристаллический слой пленки утончали до толщины 2 нм.

На 4-м этапе повторно на слой Mg(Fe_0.95Ga_0.05)₂O₄ толщиной 2 нм наносили этот же слой Mg(Fe_0.95Ga_0.05)₂O₄ до толщины 78 нм.

На 5-м этапе повторно проводили кристаллизацию нанесенного слоя Mg(Fe_0.95Ga_0.05)₂O₄ на подложке монокристаллического кремния.

Получали гетероструктуру Mg(Fe_0.95Ga_0.05)₂O₄/Si со стабильной межфазной границей пленка/подложка (Фиг. 1б).

Пример 2. Формирование пленки Mg(Fe_0.75Ga_0.25)₂O₄ на подложке монокристаллического кремния проводилось следующим образом. На поверхность Si после ее очистки от посторонних примесей наносили пленку Mg(Fe_0.75Ga_0.25)₂O₄ из мишени, состава Mg(Fe_0.75Ga_0.25)₂O₄ диаметром 8 см, толщиной 4 мм, чистотой не хуже 99.98%.

Распыление мишени производилось ионно-лучевым методом пучком ионов кислорода с энергией 1600 эВ и плотностью тока пучка ионов 0.25 мА/см² в вакууме не хуже 0.2 Ра.

При этом формирование пленки происходило в 5 этапов: первоначально на подложку Si наносили слой Mg(Fe_0.75Ga_0.25)₂O₄ толщиной 20 нм.

На 2-м этапе проводили кристаллизацию слоя Mg(Fe_0.75Ga_0.25)₂O₄ на подложке кремния путем нагревания со скоростью 155°С/мин до температуры 700°С, выдержки в течение 2 мин и охлаждения, что приводило к получению кристаллической пленки Mg(Fe_0.75Ga_0.25)₂O₄.

На 3-м этапе пучком ионов кислорода с энергией 300 эВ кристаллический слой пленки утончали до толщины 4 нм.

На 4-м этапе повторно на слой Mg(Fe_0.75Ga_0.25)₂O₄ толщиной 4 нм наносили этот же слой Mg(Fe_0.75Ga_0.25)₂O₄ до толщины 79 нм.

На 5-м этапе повторно проводили кристаллизацию нанесенного слоя Mg(Fe_0.75Ga_0.25)₂O₄ на подложке монокристаллического кремния.

Получали гетероструктуру Mg(Fe_0.75Ga_0.25)₂O₄/Si, со стабильной межфазной границей пленка/подложка (Фиг. 26).

Пример 3 Формирование пленки Mg(Fe_0.8Ga_0.2)₂O₄ на подложке монокристаллического кремния проводилось следующим образом. На поверхность Si после ее очистки ионно-лучевым методом от посторонних примесей наносили пленку Mg(Fe_0.8Ga_0.2)₂O₄ из мишени состава Mg(Fe_0.8Ga_0.2)₂O₄ диаметром 8 см, толщиной 4 мм, чистотой не хуже 99.98%.

Распыление мишени производилось ионно-лучевым методом пучком ионов кислорода с энергией 1550 эВ и плотностью тока пучка ионов 0.20 мА/см² в вакууме не хуже 0.2 Ра.

При этом формирование пленки происходило в 5 этапов: первоначально на подложку Si наносили слой Mg(Fe_0.8Ga_0.2)₂O₄ толщиной 15 нм.

На 2-м этапе проводили кристаллизацию слоя Mg(Fe_0.8Ga_0.2)₂O₄ на подложке кремния путем нагревания со скоростью 150°С/мин до температуры 710°С, выдержки в течение 2 мин и охлаждения, что приводило к получению кристаллической пленки Mg(Fe_0.8Ga_0.2)₂O₄. На 3-м этапе пучком ионов кислорода с энергией 300 эВ кристаллический слой пленки утончали до толщины 3 нм.

На 4-м этапе повторно на слой Mg(Fe_0.8Ga_0.2)₂O₄ толщиной 3 нм наносили этот же слой Mg(Fe_0.8Ga_0.2)₂O₄ до толщины 80 нм.

На 5-м этапе повторно проводили кристаллизацию нанесенного слоя MgFe_1.8Ga_0.2O₄ на подложке монокристаллического кремния.

Получали гетероструктуру Mg(Fe_0.8Ga_0.2)₂O₄/Si, со стабильной межфазной границей пленка/подложка (Фиг. 3б).

В полученной гетероструктуре также отсутствуют дефекты, искажения и пустоты на поверхности пленки Mg(Fe_1-xGa_x)₂О₄, приводящие к деградации свойств гетероструктуры (Фиг. 3г).

Достижение технического результата следует из сравнения представленных изображений.

Как видно из Фиг. 1а, 2а и 3а на поперечном сечении гетероструктур, воспризведенных по прототипу и состоящих из пленки Mg(Fe_1-xGa_x)₂O₄/Si, где х=0.05÷0.25, на подложке Si с буферным слоем SiO₂, хорошо различимы искажения гексагональной формы и пустоты глубиной порядка 5 мкм. В заявляемой гетероструктуре Mg(Fe_1-xGa_x)₂O₄/Si, при всех значениях х, Фиг. 1б, 2б и 3б. поперечное сечение характеризуется стабильностью межфазной границы

Кроме того, на Фиг. 3в отчетливо видны трещины на поверхности пленки Mg(Fe_0.8Ga_0.2)₂O₄ по прототипу, обусловленные релаксацией упругих напряжений в результате кристаллизации. В то время как поверхность пленки Mg(Fe_0.8Ga_0.2)₂O₄ заявляемой гетероструктуры (Фиг. 3г), характеризуется гладкой поверхностью и отсутствием трещин.

Предлагаемое изобретение позволяет создавать гетероструктуры со стабильными межфазными границами пленка/подложка для устройств спинтроники.