научная статья по теме ДИФФУЗИЯ СЕРЕБРА ПО ПОВЕРХНОСТЯМ КРЕМНИЯ С АДСОРБИРОВАННЫМИ АТОМАМИ ОЛОВА Физика

Текст научной статьи на тему «ДИФФУЗИЯ СЕРЕБРА ПО ПОВЕРХНОСТЯМ КРЕМНИЯ С АДСОРБИРОВАННЫМИ АТОМАМИ ОЛОВА»

ДИФФУЗИЯ СЕРЕБРА ПО ПОВЕРХНОСТЯМ КРЕМНИЯ С АДСОРБИРОВАННЫМИ АТОМАМИ ОЛОВА

А. Е. Долбак*

Институт физики полупроводников им. А. В. Ржмнова Сибирского отделения Российской академии наук

630090, Новосибирск, Россия

Поступила в редакцию 8 октября 2014 г.

Методами электронной оже-спектроскопии и дифракции медленных электронов изучена диффузия серебра по поверхностям (111). (100), (110) кремния с предварительно адсорбированными атомами олова. Диффузия наблюдается только на поверхности Si(lll)-2\/3 х 2\/3-Sn. Установлен механизм диффузии. Обнаружена зависимость коэффициента диффузии от концентрации диффундирующих атомов. Коэффициент диффузии уменьшается с увеличением концентрации серебра, а энергия активации и предэкс-поненциальный фактор возрастают.

Б. 3. Ольшанецкий

DOI: 10.7868/S004445101502011X 1. ВВЕДЕНИЕ

Поверхностная диффузия играет ключевую роль в процессах, протекающих на поверхности, что определяет важность исследований в этом направлении. К настоящему времени получены данные о диффузии некоторых элементов по атомарно-чистым поверхностям монокристаллов [1 9]. В ряде работ [2,3,5,7] была обнаружена зависимость коэффициента диффузии от концентрации диффундирующих атомов. Так, в работе [2] установлена зависимость коэффициента диффузии серебра по поверхности Сто(111) от его концентрации. Обнаружен резкий максимум коэффициента диффузии при покрытии серебром, близком к величине, при которой завершается формирование структуры Ge(lll)-4 х х 2-Ag. Максимум наблюдается также на зависимостях энергии активации и продэкспоненциалыго-го множителя от концентрации Ag. В работе [3] было установлено, что коэффициент диффузии Sb по поверхности Go (111) уменьшается с ростом концентрации Sb, что связано с изменением продэкс-пононциалыгого множителя. При этом энергия активации диффузии остается неизменной. Авторами высказано предположение, что такое поведение вызвано формированием островков, связывающих атомы Sb. В работе [5] плавное уменьшение коэффи-

* E-mail: dolbak'fflisp.nsc.ru

ционта диффузии 1п по поверхности Со(111), энергии активации диффузии и продэкспононциалыго-го множителя с ростом концентрации 1п авторы связывают с изменением механизма диффузии: при низких концентрациях доминирует образование пар адатом вакансия, а при высоких скачковый механизм. На всех зависимостях наблюдается максимум, который связывается с фазовым переходом. Коэффициент диффузии диспрозия по поверхности Мо(112) с ростом его концентрации уменьшается [7]. Подобным же образом ведут себя энергия активации и продэкспононциальный множитель. При дальнейшем увеличении концентрации диспрозия параметры диффузии сильно связаны с изменениями фазового состояния поверхности.

Добавление на поверхность атомов поворхност-но-активного вещества может существенно изменить такие параметры исследуемого вещества, как коэффициенты диффузии, десорбции, поверхностной сегрегации и др., что в результате приводит, например, к изменению механизма роста. Такие вещества также называют сурфактантами, они широко используются при создании тонких пленок, формировании наноструктур на поверхностях кремния [10 16]. Использование углерода в качестве сур-фактанта на поверхности 81(100) приводит к уменьшению коэффициента диффузии Сто на четыре порядка с ростом концентрации углерода [17]. Адсорбция Бг подавляет диффузию Ы по поверхности ЛУ(112) [18]. При использовании в качестве сур-

фактантов элементов III и IV групп наблюдается рост трехмерных островков Go и Si на поверхности Si (111) [19]. Это объясняется увеличением подвижности атомов Go. Ранее нами было установлено, что коэффициенты диффузии Ов по поверхности Si( 111 )-2 Уз х 2 УЗ-Sn на несколько порядков больше, чем по чистой поверхности [20]. Кроме того, на всех трех сингулярных поверхностях кремния атомы Sil формируют поверхностные структуры, коэффициенты диффузии атомов Sil по которым много больше, чем по чистой поверхности [21]. Возможно, что коэффициенты диффузии атомов других элементов по индуцированным оловом поверхностным структурам также будут выше, чем по чистым поверхностям кремния.

Благодаря резкой границе раздела Ag Si серебро может использоваться при создании барьеров Шот-тки и омических контактов. Р&нее нами была исследована диффузия Ag по атомарно-чистым поверхностям кремния (111), (100) и (110) [22]. Данные о диффузии серебра по поверхностям Si с предварительно адсорбированным Sil в литературе отсутствуют.

Данная работа посвящена исследованию диффузии массопереноса атомов Ag по атомарно-чистым поверхностям кремния с предварительно осажденными атомами Sil. Целыо ее было установление механизмов диффузии и температурных зависимостей коэффициентов диффузии.

2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Эксперименты проводились на установке LAS-2000 (Riber) на образцах кремния (111), (100) и (110) />типа с сопротивлением 5 10 Ом-см и размерами 22 х 5 х 0.3 мм3. Очистка поверхности происходила посредством отжига образцов сначала при температуре 600° С в течение нескольких часов, а затем в течение 1 2 мин при 1200°С. Нагрев образцов осуществлялся пропусканием переменного тока. Температура образцов измерялась с помощью оптического пирометра. Структура поверхности контролировалась методом дифракции медленных электронов (ДМЭ), а состав поверхности с помощью электронной оже-спектроскопии (ЭОС). Использовались пики Si LVV (92 эВ), Ag MNN (351 эВ) и Sil MNN (430 эВ). Диаметр первичного пучка электронов в оже-спектрометре был около 15 мкм, энергия первичных электронов составляла 3 кэВ. Диаметр первичного пучка в системе ДМЭ имел величину порядка 0.8 мм. Чувствительность ЭОС по Si и Sil была лучше 1 ат. %, а по Ag 0.1 ат. %.

Концентрации рассчитывались исходя из модели однородного распределения элементов с использованием коэффициентов элементной чувствительности, взятых из работы [23]. При расчете концентрации Ag по пику Ag MNN (351 эВ) учитывалось влияние оже-пика Sn MNN (367 эВ), измеренного при этой же энергии в отсутствие серебра.

Источником атомов Ag при исследовании диффузии служила полоска серебра с резкой границей, осажденная на поверхность кремния с предварительно адсорбированными атомами Sn. Толщина полосок была не менее 10 МС (МС монослой), скорость осаждения серебра около 0.3 МС/мин при давлении (2 4)-Ю-8 Па. Калибровка потока Ag осуществлялась по излому на зависимости величины оже-сигнала Ag от концентрации атомов Ag, осажденных на атомарно-чистую поверхность Si(lll), нагретую до 400° С [24]. Излом связан с завершением формирования структуры Si( 111)-\/3 х v3-Ag при покрытии в 1 МС и последующим ростом островков. Концентрация примесей в Ag не превышала Ю-2 ат. %.

Калибровка скорости напыления Sn осуществлялась путем измерения времени, необходимого для формирования поверхностной структуры Si(lll)-2v/3 х 2v/3-Sn. Формирование этой структуры происходит по достижении концентрации Sn около 1 МС после прогрева до 650 °С [25,26]. При меньших концентрациях на поверхности наблюдаются структуры 7-\/3 х v^-Sii и a-\/Z х \/3-Sn, формирующиеся при адсорбции Sn в количестве соответственно 1/6 и 1/3 МС [27]. Структура 2\/3 х 2v/3-Sn испытывает обратимый переход при температуре 190° С [28]. При температурах образца выше 190 ° С на дифракционных картинах видны рефлексы только целых порядков. В то же время структура а-у^З х v^-Sn существует до температуры 860 °С. Если концентрация атомов Sn не достаточна для того, чтобы полностью сформировалась структура 2\/3 х 2v/3-Sn, то во время отжига при температуре выше 190° С на дифракционных картинах будут видны рефлексы от структуры а->/3 х \/3-Sn с меньшим содержанием олова. Поэтому формирование структуры 2\/3 х 2v/3-Sn осуществлялось путем осаждения минимального количества олова, при котором в процессе отжига образца до температур выше 190° С на поверхности не наблюдалась структура а-у^З х \/3-Sn. Скорость осаждения олова была около 0.3 МС/мин при давлении (3 4)-Ю-8 Па. Концентрация примесей в Sn не превышала Ю-3 ат. %.

('л - - с/с 25

500 475 450 425 400

т; с

20

15

10

• •

, leo

"vfx \/3 + 2x1(2x2) X ICO

С1-

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 ^ 1.2 1.4

X, мм

Рис.1. Распределение концентрации Са&(х) на поверхности 31(111)-7-ч/З х ч/З-Эп после отжига при 450 °С в течение 160 мин

3. РЕЗУЛЬТАТЫ

Нами изучено влияние индуцированных оловом структур на диффузию Ag по поверхности 81(111). На рис. 1 представлено типичное распределение концентрации Слв(•(•) (•(• расстояние от источника), полученное на поверхности со структурой 7~\/3 х \/3. На поверхности со структурой а-\/3 х \/3 получаются аналогичные распределения. Все эти распределения имеют резкую границу, а их форма указывает на то, что диффузия Ag по этим поверхностям протекает по механизму твердофазного растекания, так же как и по чистой поверхности [22]. Коэффициенты диффузии рассчитывались с помогцыо выражения

D = Е2/2t,

(1)

где £ расстояние от края источника до фронта распределения, t время отжига. Полученные величины несколько меньше соответствующей величины для чистой поверхности (рис. 2). Коэффициент диффузии серебра выше по поверхности 7~\/3 х \/3 с меньшим содержанием Sil. Вне зависимости от структуры исходной поверхности, на поверхности, занятой распределением Cas(x), наблюдается структура \/Зх у/3. Соотношение интонсивно-стой рефлексов на дифракционных картинах от этой структуры отличается от соотношения интонсивно-стой рефлексов от структур 7~\/3 х \/3 и а-\/3 х \/3. По-видимому, это та же структура \/3 х \/3, которая наблюдается на чистой поверхности Si с адсорбированным Ag. Одновременно со структурой \/3 х \/3

13.0 13.5

14.0

14.5 15.0

10А/Т, К-1

Рис.2. Зависимости коэффициента диффузии серебра от структуры поверхности 81(111): • — •А х [22]; о - х ^З-Бп; Л -

о-\/Зх х/З-йп

сосуществует структура 2x1 (или 2x2). Интенсивности рефлексов от структуры 2x1 (или 2x2) слабее, чем от структуры \/3 х \/3. Совпадение формы рас-предблении и структур, формирующихся

на поверхностях, занятых распределениями, а также небольшие различия в величинах коэффициентов диффузии позволяют предположить, что перенос Ag по поверхностям с

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком