научная статья по теме ПРИМЕНЕНИЕ НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ НАНОКОНТАКТОВ НА ПОВЕРХНОСТИ УЛЬТРАТОНКИХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛЕНОК Физика

Текст научной статьи на тему «ПРИМЕНЕНИЕ НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ НАНОКОНТАКТОВ НА ПОВЕРХНОСТИ УЛЬТРАТОНКИХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛЕНОК»

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2013, № 10, с. 58-62

УДК 533.537

ПРИМЕНЕНИЕ НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ НАНОКОНТАКТОВ НА ПОВЕРХНОСТИ УЛЬТРАТОНКИХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛЕНОК © 2013 г. Д. М. Мурадкабилов, Д. А. Ташмухамедова, Б. Е. Умирзаков

Ташкентский государственный технический университет им. Абу Райхана Беруни, Ташкент, Республика Узбекистан

Поступила в редакцию 20.05.2013 г.

Предложен новый способ получения наноконтактов на поверхности полупроводников на примере тонких пленок (111). Суть метода заключается в том, что сначала на поверхности методом ионной имплантации в сочетании с отжигом формируются нанопленки силицида кобальта толщиной 45—50 А, затем напыляются атомы контактирующего металла (А1). Удельное сопротивление нано-пленок Со812 составляло (2—3) х 10-5 Ом • см.

БОТ: 10.7868/80207352813100168

ВВЕДЕНИЕ

Одной из основных проблем современного электронного приборостроения является создание надежных контактов на поверхности нано-пленочных многослойных систем [1—3]. Требования становятся гораздо более жесткими, если контакты создаются для нульмерных (квантовых точек) и одномерных (квантовых проволок) наноструктур [4, 5]. Основные требования следующие: малая толщина переходного слоя металл-полупроводник; морфологическое совершенство пленки и неизменность фазового состава по всей площади контакта; возможность эпитаксиально-го выращивания; высокая температура плавления, устойчивость к температурным и токовым нагрузкам; стабильность свойств контактов в процессе изготовления и эксплуатации.

Этим требованиям могут отвечать силициды металлов при использовании их в качестве контактов на кремнии. В настоящее время существуют несколько способов получения наноразмер-ных контактов на субмикронных структурах [1, 2]: метод фазового расслоения; метод низкоэнергетического ионного легирования; метод осаждения многослойных композиций и др. Независимо от метода создания значение удельного сопротивления контакта рК зависит от уровня легирования полупроводника. В контактах металл-полупроводник с низким уровнем легирования преобладает термоэлектронная компонента тока, а с высоким уровнем легирования — туннельная компонента. Основным требованием, предъявляемым к субмикронным контактам помимо низкого значения рк, является ограниченная глубина переходного слоя и однородность поверхности. Однородность и электрические свойства наноконтактов

зависят также от формы контакта [4], которая может быть плоской, сферической, цилиндрической.

По сравнению с другими методами создания сверхмалых контактов ионная имплантация обладает определенными преимуществами и обеспечивает получение хорошо воспроизводимых и однородных структур. В последние годы был разработан низкотемпературный метод введения большой концентрации примеси (1019—1020 см-3) на небольшую глубину (^ ~ 100 нм). В этом методе реализуется атермическая кристаллизация ион-но-легированного слоя, называемая также "эффектом больших доз имплантации" [6]. Осуществляется имплантация примесей типа Р, В, Аз в кремний с большой плотностью ионного тока (30—100 мкА • см-2). При малых дозах идет амор-физация приповерхностного слоя, а затем, при больших дозах (Б > 1014 см-2), происходит ориентированная кристаллизация разупорядоченного слоя [6]. При таких дозах легирования концентрация носителей заряда в максимуме распределения превышает 1020 см-3. Однако при этом имплантация проводится ионами сравнительно высоких энергий (Е0 > 15-20 кэВ). Это резко уменьшает плотность ионного тока, что затрудняет реализацию эффекта или даже делает его невозможным.

В отличие от других методов создания силицид-ных контактов с помощью легирования ионами Р, В и А1, нами предлагается способ, основанный на имплантации ионов металлов с низкой энергией (Е0 < 2-3 кэВ) и высокой дозой (Б > 1016 см-2).

Целью данной работы являлось получение омического контакта на поверхности тонкой пленки (^ ~ 500 А) 81 (111) с использованием метода низко-

энергетической (Е0 = 0.5—5 кэВ) имплантации ионов Со+ в сочетании с отжигом.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Пленки Со812/81 (111) были получены в условиях сверхвысокого вакуума (Р = 10-7 Па) методами молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), твердофазной эпитаксии (ТФЭ) и ионной имплантации в сочетании с отжигом. Пленки были получены методами МЛЭ и ТФЭ на стандартной установке, а ионная имплантация проводилась в универсальном экспериментальном приборе при давлении Р < 10-7 Па [7]. Использовалась ионная пушка, состоящая из ионного источника, системы вытягивания и фокусировки ионов, электростатического сепаратора ионов и системы сканирования [7]. В ионном источнике испарение Со осуществляется с помощью электронно-лучевого нагрева, а ионизация атомов Со — электронной бомбардировкой. Энергия ионов Е0 варьировалась в пределах от 0.3 до 8.0 кэВ, а доза облучения (флу-енс) — от 1014 см-2 до 1017 см-2. Отжиг ионно-им-плантированных образцов осуществлялся высокотемпературным нагревом и лазерным облучением. Для лазерного облучения использовался лазер с длиной волны 1.06 мкм при длительности импульсов 10 нс с частотой 50 Гц [7, 8].

Таблица 1. Степень покрытия поверхности нано-кристаллами Со812 при разных условиях получения

(

= 3

1 - & I

81* у

I

В, см—2 W, Дж • см 2 Т, К е, % РЭМ

5 х 1014 1.4 800 32 —

1015 1.4 850 48 0.53

2 х 1016 1.7 900 80 —

6 х 1016 1.7 900 96 1.0

Элементный состав исследуемых образцов определялся методом оже-электронной спектроскопии (ОЭС) в анализаторах типа Юза-Рожан-ского. Чувствительность оже-спектрометров составляла ~0.1—0.5%. В расчетах использован метод коэффициентов оже-элементной чувствительности с матричными поправками [9]. Погрешность при определении концентрации атомов составляла ~10 ат. %. Для определения профиля распределения примесей по глубине проводили 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.

Кристаллическая структура и топография поверхности нанопленок исследовалась при помощи дифракции быстрых электронов (ДБЭ) и растровой электронной микроскопии (РЭМ). Степень начального покрытия поверхности образца 9 в основном оценивалась нами при помощи оже-элек-тронной спектроскопии в том же приборе, где формируются наноструктуры, способом, предложенным в [10]. Согласно работе [10], значение 9 можно определить по следующей формуле:

где 1Со — интенсивность оже-сигнала Со в Со812 (Е = 765 эВ); /81 — интенсивность оже-сигнала 81 в Со812 (Е = 91 эВ); /81 — интенсивность оже-сиг-нала 81 в подложке (Е = 91 эВ). Для измерения удельного сопротивления поверхности применялся стандартный четырехзондовый метод ван-дер-Пау [11].

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Перед напылением контактирующего металла на поверхности 81 сначала создавались эпитакси-альные нанопленки силицида с толщиной d < 50— 100 А. Для уменьшения ширины переходного слоя силицид—кремний выбирается силицид, постоянная решетки а которого близка к постоянной решетки кремния. В частности, это требование полностью выполняется в случае системы Со812/81:

а81 = 5.43 А, аСо812 = 5.41 А. Анализ нанопленок Со812/81 и №812/81, выращенных различными методами (ионная имплантация, твердофазная эпи-таксия, реактивная эпитаксия (РЭ) и молекуляр-но-лучевая эпитаксия), показывает, что их морфология, стехиометрия, профили распределения атомов и электрофизические свойства критическим образом зависят от способа выращивания и условий роста [8, 10, 12—14].

(1)

Со

В табл. 1 приведены значения степени покрытия поверхности 81 нанокристаллами Со812, полученными имплантацией ионов Со+ с Е0 = 1 кэВ с разными дозами в сочетании с отжигом (лазерный + температурный). Из табл. 1 видно, что результаты имеют удовлетворительное согласие с расчетами, выполненными по данным РЭМ. Формула (1) была получена на основании весьма грубых приближений. В частности, не учитывается изменение плотности вещества при изменении состава (переход от 81 к Со812), не учитываются различия в эффективности образования оже-элек-тронов в Со812 и 81. Однако эти результаты несут очень важную информацию о составе и морфологии поверхности 81 с нанокристаллами силицида, без использования очень сложных экспериментальных установок.

Ссо, ат. %

30 О

20 - 2 \

10 1 \ \ \ \ ^----- -1

0 25 50 75 100

й, А

Рис. 1. Зависимость Ссо от глубины для 81, имплантированного ионами Со+ с энергией 1 кэВ при Б я я 6 х 1016 см-2: 1 - до отжига; 2 - после лазерного отжига с Ж = 2.2 Дж • см-2.

На рис. 1 представлен концентрационный профиль распределения Со по глубине кремния, имплантированного ионами Со+ с Е0 = 1 кэВ при дозе насыщения Б = 6 х 1016 см-2 до и после отжига. Видно, что лазерный отжиг с плотностью энергии Ж ~ 2.2 Дж • см-2 приводит к образованию тонкого (й = 40-50 А) эпитаксиального слоя силицида со-бальта. Удельное сопротивление этого слоя составляло (2-3) х 10-5 Ом • см. Между пленкой Со812 и 81 образуется очень тонкий (<15-20 А) переходной слой. Отметим, что при лазерном отжиге образование нанопленок силицида Со812 при больших дозах ионов Со наблюдается начиная с Ж = 1.6-

1.8 Дж • см-2. При этом толщина пленок составляла ~25-30 А, а ширина переходного слоя доходила до 30-40 А [15]. Увеличение Ж до 2.2 Дж • см-2 приводила к уменьшению ширины переходного слоя до 10-15 А и увеличению толщины сплошной пленки Со812 до 45-50 А.

На рис. 2 приведены электронно-микроскопическое изображение и электронограмма (ДБЭ) от поверхности совершенной пленки Со812 (111), полученной методом ионной имплантации в сочетании с лазерным отжигом. Из этого рисунка видно, что поверхность пленки является достаточно гладкой, поскольку имеет место двумерная дифракция электронов (рефлексы вытянуты вдоль нормали к поверхности).

Аналогичные исследования проводились и для тонких пленок (й = 100 А) Со812/81, полученных другими методами. Концентрационные профили распределения атомов Со в пленках Со812 с 9 = = 100 А, полученных методом МЛЭ при Т = 900 К и методом ТФЭ при Т = 9

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

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»