ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 4, с. 38-43
УДК 533:537
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СПЕКТРЫ НАНОПЛЕНОК SiO2, СОЗДАННЫХ НА ПОВЕРХНОСТИ Si ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИЕЙ
© 2015 г. Ё. С. Эргашов*, Д. А. Ташмухамедова, Э. Раббимов
Ташкентский государственный технический университет, 100095 Ташкент, Республика Узбекистан *Е-таИ: yergashev@mail.ru Поступила в редакцию 18.11.2014 г.
В работе изучены топография, состав, электронная и кристаллическая структура поверхности на-нопленок 8Ю2, полученных имплантацией ионов 0+ в 81(111) в сочетании с отжигом. Установлено, что при высоких дозах (Б > 6 х 1016 см-2) имплантации формируются сплошные однородные поликристаллические пленки 8Ю2, а при сравнительно невысоких дозах (Б = 8 х 1015—4 х 1016 см-2) — пленки 8Ю2 с регулярно расположенными наноучастками 81 плотностью 1010—1011 см-2.
Ключевые слова: нанопленки оксида кремния, ионная имплантация.
Б01: 10.7868/80207352815040083
ВВЕДЕНИЕ
Известно, что наноразмерные структуры, созданные на поверхности твердых тел, обладают новыми, не характерными для массивных материалов свойствами. Поэтому получение и исследование свойств материалов с поверхностными нанокристаллами и пленками представляют фундаментальный научный интерес и имеют важное прикладное значение для создания новых приборов твердотельной электроники. Особый интерес представляют нанопористые пленки на основе оксида кремния и силицидов металлов, сформированных на поверхности кремния, которые имеют перспективы использования в интегральных микросхемах, магнитоэлектронных устройствах, оптоэлектронных приборах [1—3]. Для создания наноразмерных каналов диаметром 5—50 нм и длиной более 20—25 нм используются методы химической обработки [4] и бомбардировки быстрыми ионами [5, 6].
При молекулярно-лучевой и твердофазной эпитаксии такие каналы могут формироваться непосредственно в процессе роста пленок начиная с толщины d = 40—50 А. В частности, в пленке Со812, выращенной на поверхности 81 (100), образуется множество микроотверстий [7]. Подбирая режимы роста, можно получить регулярно расположенные, с необходимыми размерами отверстия. При прогреве системы атомы 81 через эти отверстия диффундируют к поверхности Со812, следовательно, создается трехслойная система
типа 81—Со812—81 (100), необходимая для транзисторов с проницаемой и металлической базой [7].
Для многих приборов требуется получение сплошных нанопленок толщиной d < 50—100 А без отверствий и с отверстиями. Ранее [8—11] было показано, что низкоэнергетическая высоко-дозная ионная имплантация в сочетании с отжигом является эффективным средством получения таких пленок. Изучены состав, параметры энергетических зон нанопленок Со812, Ва812 и 8102. В случае силицидов металлов установлено, что при дозах больших, чем доза насыщения (Б = (5—8) х х 1016 см—2), формируются сплошные однородные пленки, а при дозах немного ниже, чем доза насыщения (Б = 8 х 1015—4 х 1016 см—2), между кластерными фазами силицидов могут формироваться наноучастки, обогащенные кремнием [10]. Можно полагать, что при определенных условиях атомы подложки (кремния), диффундируя через эти участки, образуют нанопленки 81, следовательно, формируется нанопленочная система типа 81—Ме812—81(111), 81—8102—81(111). Однако подобные процессы до сих пор практически не изучены. Кроме того, структура и свойства нанопленок 8102, полученных методом ионной имплантации в сочетании с отжигом, исследованы недостаточно.
В данной работе изучались топография, состав, электронная и кристаллическая структура наноп-ленок 8102, полученных в поверхностной области
81(111) имплантацией ионов 0 + в интервале зна-
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СПЕКТРЫ НАНОПЛЕНОК Б1О
2
39
чений энергии Е0 = 1—5 кэВ и дозы Б = 8 х х 10158 х 1016 см-2.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Имплантация ионов и исследование состава и профилей распределения атомов по глубине проводились в одном и том же сверхвысоковакуум-ном приборе, состоящем из двух смежных камер.
Принцип получения ионов О + основан на ионизации атомов (молекул) при столкновении их с быстрыми электронами. Кислород в прибор напускался через цельнометаллический натекатель. Ионный источник работал при давлении кислорода ~10-2 Па, в измерительной части прибора давление не превышало ~10-6 Па. Плотность тока ионов на мишени составляла (1-10) х 10-6 А/см2. Диаметр пучка ионов в мишени был в пределах 1.5-2 мм. В качестве подложки использованы образцы 81(111) я-типа в виде дисков диаметром ~10 мм и толщиной 1 мм. Перед ионной имплантацией поверхность очищалась прогревом до Т = 1200-1300 К в течение 10-12 ч и импульсным прогревом до Т = 1500 К. Элементный и химический состав исследуемых образцов определялся методом оже-электронной спектроскопии. Погрешность при определении концентрации атомов составляла 5-8 ат. %. Для определения профиля распределения примесей по глубине проводился послойный оже-анализ путем распыления поверхности образца ионами Аг+ с энергией 3 кэВ при угле падения ~85° относительно нормали, скорость травления составляла (5 ± 1) А/мин.
Ультрафиолетовые фотоэлектронные спектры были получены при энергии фотонов к\ ~ 10.8 и 21.2 эВ. Источником фотонов служила стандартная ртутная и газоразрядная водородная лампы. Техника и методика экспериментов подробно описаны в [12]. РЭМ-изображения были получены на стандартной установке типа SUPRA-40, а АСМ-изображения - на приборе типа ХЕ-200.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Сначала были исследованы образцы Б1, имплантированные ионами О + с высокой дозой, превышающей дозу насыщения (Б > 6 х 1016 см-2). В качестве примера на рис. 1 приведены АСМ- и РЭМ-изображения поверхности пленки Б1О2, полученной имплантацией ионов О + в с Е0 = 3 кэВ (Б = 8 х 1016 см-2) в сочетании с прогревом при Т = 1100 К. Толщина пленки Б1О2 составляла ~50 А. Видно, что в этих условиях формировалась
сплошная однородная пленка с практически гладкой поверхностью, неровности которой не превышают 8-10 А. В случае пленок, полученных другими методами, в частности методом термического внедрения кислорода, неровности поверхности составляют 50-100 А. Отметим, что в случае 81О2/Б1(111), в отличие от силицидов металлов [9], не наблюдался эпитаксиальный рост и образовалась поликристаллическая структура (вставка рис. 1б). По виду картин дифракции быстрых электронов можно предположить, что пленки Б1О2 состоят из отдельных блоков, разориентиро-ванных друг относительно друга.
На рис. 2 приведен профиль распределения атомов кислорода по глубине сплошной пленки 81О2/Б1(111) толщиной ~50 А. Видно, что между Б1О2 и формируется переходной слой толщиной 40-50 А, где концентрация кислорода с глубиной монотонно уменьшается. Большая толщина переходного слоя, по-видимому, связана с большим различием параметров решетки (а81 = = 5.43 А) и Б1О2 (о8Юг = 7.13 А).
На рис. 3 приведены фотоэлектронные спектры чистого Б1(111) и нанопленки Б1О2/Б1, снятые при энергии к\ = 10.8 и 21.2 эВ. За начало отсчета был взят потолок валентной зоны, а положение уровня Ферми определялось относительно уровня Ер чистого Рё, который размещался в сверхвы-соковакуумном приборе вместе с исследуемыми образцами [12]. Видно, что все кривые обладают явно выраженной тонкой структурой. В случае чистого наличие основных пиков можно объяснить возбуждением электронов из поверхностных состояний, а также из 3р- и 3^-состояний валентных электронов [3]. В случае оксида кремния максимумы (особенности) могут быть обусловлены гибридизацией электронных состояний валентных электронов атомов легирующего элемента и подложки - [3]. Сравнение спектров 1 и 2 показывает, что в случае ультрафиолетовый фотоэлектронный спектр лучше отражает распределение плотности состояний валентных электронов при Н\ = 10.8 эВ, чем при Н\ = = 21.2 эВ. Это связано с тем, что в случае полупроводников и металлов увеличение энергии квантов до 20-25 эВ приводит к образованию вторичных электронов, следовательно, заметно изменяются спектры фотоэлектронов.
В таблице приведены возможные механизмы формирования пиков в спектре фотоэлектронов, зонно-энергетические параметры и параметры кристаллических решеток и Б1О2. Из таблицы видно, что значение ширины запрещенной зоны нанопленок Б1О2 составляет ~9 эВ, что характерно для массивных монокристаллов Б1О2.
Ч- - -в* '• *; ' а. -'А Л а' ■ - ^ * _ ^ - ■ -1 * ч -« • V _ ¿1*
Я- V • 1, . • Чж * Г' *: V •• V ■;... 1
Рис. 1. АСМ-изображения (а) и РЭМ-картина (б) поверхности 8102/81 толщиной d ~ 50 А; на вставке — картина дифракции быстрых электронов для 8Ю2.
10, отн. ед.
10 20 30 40 50 60 70 80 ^ А
Рис. 2. Профили распределения атомов кислорода по глубине пленки 8102/81(111).
Рассмотрим топографию поверхности пленок 8102, полученных при дозе имплантации немного ниже, чем доза насыщения. В качестве примера на рис. 4 приведено РЭМ-изображение поверхности пленки 8102, полученной после нагревания при Т = 1100 К кремния, имплантированного
ионами
0 + с Е0 = 3 кэВ при Б = 1016
см—2. Из рис. 4 видно, что между кристаллическими фазами формируются четко выраженные участки и начинают выделяться границы отдельных кристаллических фаз. Анализ спектров оже-электронов показал, что на этих участках содержатся атомы 81 (рис. 5) (В случае молекулярно-лучевой и твердофазной эпитаксии эти участки были пустыми, т.е. на них формировались поры [7]). Увеличение Т приводило к диффузии 81 через эти участки к поверхно-
0
Бсв, эВ -10 -8 -6 -4 -2 0 = Бу
Рис. 3. Ультрафиолетовые фотоэлектронные спектры 81 (кривые 1, 2) и нанопленки 8102 (кривая 3) толщиной аI я 50 А, снятые при разной энергии ку. 1 - 10.8; 2 - 21.2 эВ.
сти. При нагревании при Т = 1200 К в течение 30 мин на поверхности формировалась пленка 81 толщиной 10-15 А, а в течение 60 мин - 15-20 А. Дальнейшее увеличение времени нагрева не приводило к заметному изменению толщины пленки 81. При Т = 1250 К толщина пленки увеличивалась до 25-30 А. Во всех случаях пленки 81 имели поликристаллическую структуру. Дальнейшие увеличение Т приводило к десорбции 81 с поверхности и частичному разложению 8102.
Степень покрытия поверхно
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.