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.