ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2014, № 4, с. 24-29
УДК 533.537
СОСТАВ И ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА НАНОРАЗМЕРНЫХ ФАЗ И НАНОПЛЕНОК СИЛИЦИДОВ МЕТАЛЛОВ, СОЗДАННЫХ МЕТОДОМ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ В СОЧЕТАНИИ С ОТЖИГОМ © 2014 г. Х. Х. Болтаев, Д. А. Ташмухамедова, Б. Е. Умирзаков
Ташкентский государственный технический университет им. Абу Райхана Беруни, Ташкент, Республика Узбекистан Поступила в редакцию 06.05.2013 г.
В работе установлено, что ионная имплантация в сочетании с отжигом позволяет получить в поверхностной области регулярно расположенные нанокристаллические фазы и сплошные пленки силицидов металлов. Показано, что нанокристаллы и нанопленки силицидов кристаллизуются в кубической решетке. Разработана модель поверхности 81 с нанокристаллами силицида.
БО1: 10.7868/80207352814010107
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время интенсивно изучаются свойства наноразмерных структур на поверхности полупроводниковых и диэлектрических пленок. Известно [1, 2], что в наноразмерном диапазоне уменьшение размеров нанокристаллитов может привести к заметному изменению их электронной и кристаллической структуры. В частности, ширина запрещенной зоны кремниевых квантовых точек вдвое превышает ширину запрещенной зоны кристаллического кремния. Определение взаимосвязи между изменениями этих параметров имеет научный и практический интерес. Одним из перспективных методов создания нанокристаллов и нанопленок является низкоэнергетическая ионная имплантация.
Нами ранее [3—7] изучены изменения параметров кристаллической решетки и энергетических зон нанопленок и нанокристаллов Со812, созданных в поверхностных слоях 81 методом ионной имплантации в сочетании с отжигом. Показано, что ширина запрещенной зоны Е& тонких нанопленок Со812/81 (100) толщиной 9 < 40-50 А на -0.1 эВ больше, чем "толстых" пленок, а в случае нанокристаллов Е& на 0.3-0.4 эВ больше, чем для макрокристаллов. Установление оптимальных условий создания и изучения свойств наноструктур дает возможность разработать на их основе новые приборы и устройства с уникальными параметрами. Эти объекты могут применяться при создании нанотранзисторов, составных частей интегральных схем, усилителей, генераторов, работающих в области сверхвысоких частот, запоминающих устройств с терабитной памятью, солнечных элементов, нейроструктур для нанокомпозитов.
Основной целью данной работы являлось получение методом ионной имплантации регулярно расположенных нанокристаллических фаз и на-нопленок силицидов металлов на поверхности 81 и изучение их состава, структуры и свойств. В качестве объектов исследования были выбраны эпитаксиальные пленки 81(111), имплантированные ионами Ва+, №+ и Со+ с энергией Е0 = 0.55.0 кэВ при дозах облучения Б = 1014—1017 см-2.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Исследования проводились в двух сверхвысо-ковакуумных установках. Исследуемые эпитак-сиальные пленки 81 разной толщины были получены на первой стандартной установке методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). В этой же установке были определены толщина пленки, тип и параметры решетки исследуемых пленок с использованием дифракции быстрых электронов. На второй установке проведены все технологические операции (ионная имплантация, температурный и лазерный отжиг) и исследования состава, структуры и свойств наноматериа-лов. Исследования проводились с использованием методов оже-электронной спектроскопии (ОЭС), дифракции быстрых электронов (ДБЭ), ультрафиолетовой фотоэлектронной спектроскопии (УФЭС), спектроскопии упруго отраженных электронов (СУОЭ), спектроскопии характеристических потерь энергии электронов (СХПЭЭ), растровой электронной микроскопии (РЭМ). Техника и методика эксперимента подробно описаны в [4].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В [5—7] было установлено, что низкоэнергетическая ионная бомбардировка в сочетании с отжигом позволяет при низких дозах облучения (Б < 1015 см-2) получить отдельные нанокристал-лические фазы на поверхности 81, а при высоких дозах — сплошную однородную пленку. Анализ РЭМ-изображений и ДБЭ-картин показал, что нанокристаллы силицидов металлов (Ва812, Со812, №812) и их пленки кристаллизуются в кубической решетке. При этом нанокристаллы имеют форму цилиндра. Хорошо сформированные нанокристаллы появляются начиная с дозы ионов Б = (3— 5) х 1014 см-2. Однако одной из основных проблем современной наноэлектроники является получение упорядоченных нанокристаллов (одинаковый состав и размеры, регулярное расстояние между нанокристаллами) на поверхности различных материалов [8—11]. В частности, такие "магические" кластеры получены в [8] на поверхности атомарно-чистого 81(111) напылением ~0.3 монослоя алюминия при Т = 550°С в условиях сверхвысокого вакуума. Наши дальнейшие исследования показали, что формирование совершенных нанокристаллических фаз зависит от степени гладкости и чистоты поверхности матрицы. В первом случае поверхность 81 очищалась прогревом до Т = 1100 °С. А во втором случае чистая поверхность 81 получена травлением подложки ионами аргона с энергией до 600 эВ с последующим длительным отжигом при Т = 700—800°С и импульсном (кратковременном) прогревом до Т = 1200°С. На рис. 1а, б приведены РЭМ-изображения этих образцов 81, снятые после имплантации ионов Со+ с Е0 = 1 кэВ при дозе облучения
Б = 1015
см
В процессе имплантации пучок диа-
метром й = 1 мм падал на поверхность, а РЭМ-изображение получали от центра ионно-имплан-тированного участка размером й ~ 10 мкм. Из
(а)
(б)
• • I
10 нм
Рис. 1. РЭМ-изображения пленки 81(111), имплантированной ионами Со с энергией Е0 = 1 кэВ при дозе облучения Б = 1015 см-2: а — поверхность 81, очищенная только высокотемпературным прогревом; б — поверхность 81, очищенная прогревом в сочетании с ионным травлением.
рис. 1 видно, что упорядоченные нанокристаллы силицида формируются только на хорошо очищенной поверхности кремния. Диаметр этих на-нокристаллов составляет 15—20 нм.
В табл. 1 приведены оптимальные режимы получения нанокристаллов типа Ме812 методом ион-
Таблица 1. Оптимальные режимы ионной имплантации и отжига для получения нанокристаллов Ме812
Оптимальный температурный
Ионы Е0, кэВ Б, см—2 Силицид и лазерный отжиг Поверхностный Толщина НК
Т, К Ж, Дж • см 2; Т', К диаметр НК й, нм к, нм
0.5 8 х 1014 1100 1.8; 1000 25—30 3.0—3.5
Ва 1.0 1015 Ва812 1200 1.8; 1000 20—25 4.0—4.5
5.0 1015 1200 2; 1000 15—20 5.0—6.0
№ 0.5 2 х 1014 №812 1000 1.6; 900 15—20 3.5—4.0
5.0 2 х 1015 1000 1.8; 900 10—15 6.0—7.0
0.5 1015 1000 1.8; 900 18—20 3.0—3.5
Со 1.0 1015 Со812 1000 1.8; 900 15—20 3.0—4.0
5.0 1015 1150 1.8; 900 10—12 5.0—6.0
Обозначения: Т — температура длительного прогрева > 30 мин); Т' — температура кратковременного прогрева.
Рис. 2. РЭМ-изображения отдельной кластерной фазы, сформированной на поверхности 81 при имплантации ионов Ва+ с энергией £0 = 0.5 кэВ, Б = 1015 см-2 до (а) и после (б) прогрева.
ной имплантации и последующего отжига. Из таблицы видно, что во всех случаях с ростом дозы ионов увеличивается диаметр нанокристаллов, а с ростом энергии ионов — их толщина. Наиболее со-
вершенные структуры формировались в случае силицидов Со812. На рис. 2 приведены РЭМ-изображения отдельной кластерной фазы, сформированной на поверхности 81 в результате имплантации ионов Ва+ с Е0 = 1.0 кэВ при Б ~ 1015 см-2, до и после отжига (лазерный + температурный). На поверхности ионно-имплантированного кремния явно обнаруживаются легированные области. В сильнолегированной области содержится некоторое количество силицидов типа Ва81, Ва812 и избыточные атомы Ва, а в слаболегированной области -в основном, свободный Ва. После отжига поверхность полностью рекристаллизуется, и формируются монокристаллические фазы Ва812. На основе анализа РЭМ-изображений была построена модель поверхности 81 с нанокристаллами силицидов металлов (рис. 3а, б). Как видно из рис. 3а, в случае Ва812 островки нанокристаллической фазы состоят из трех частей. В центре (<! = 20—25 нм) формируется монокристаллическая фаза Ва812, имеющая кубическую решетку, кристаллическая ориентация которой совпадает с ориентацией подложки. Так как постоянная решетки Ва812 (а = 6.54 А) резко отличается от постоянной решетки 81 (а = 5.43 А), на границе раздела Ва812/81 возникают напряжения несоответствия и происходит деформация. Вследствие чего вокруг этой фазы формируются две кольцевидные области. Ширина первого кольца (примыкающего к Ва812) составляет ~5—10 нм. В этой области концентрация Ва резко уменьшается от ~30 ат. % до 1—2 ат. %. Следующее кольцо шириной 5—10 нм состоит из монокристаллов 81 с переменным параметром решетки. В случае Со812 ширина первого кольца сужается до 3—5 нм, а последняя область (второе кольцо) практически отсутствует (рис. 3б).
Аналогичным образом определены оптимальные режимы формирования сплошных, однородных по глубине, с минимальными дефектами пленки силицидов металлов (табл. 2). Изучение топографии поверхности силицидов металлов с
Таблица 2. Режимы ионной имплантации и отжига для получения сплошных пленок Ме812/81
Ионы Е0, кэВ Б, см2 Оптимальный температурный и лазерный отжиг Силициды Топография Ширина переходного слоя, нм
Т, К Ж, Дж • см 2; Т', К Образец 9, нм поверхности*
0.5 2 х 1016 1100 2; 1100 2.0—3.0 спл., р.р. 3.0—4.0
Ва 3 4 х 1016 1200 2; 1100 Ва812 4.0—5.0 спл., р.р. 5.0—6.0
5 6 х 1016 1200 2; 1200 5.0—6.0 спл., р.р. 7.0—8.0
0.5 4 х 1016 1000 1.7; 900 2.5—3.0 спл., н.р.р. —
№ 1 4 х 1016 1000 1.7; 900 №812 3.0—3.5 — 5.0—6.0
3 6 х 1016 1100 1.9; 1000 5.0—6.0 — 6.0—8.0
Со 1 2 х 1016 1000 1.8; 1000 Со812 3.5—4.0 спл., н.р.р. 2.0—3.0
Обозначения: * спл. — сплошная пленка, р.р. — раздвоение рефлексов, н.р.р. — нет раздвоения рефлексов; 9 — толщина пленок.
81 с нерегулярным параметром решетки
Вах81у
(а)
(б)
Ва81
5—10нм
5—10нм
Сох81у
Со81
20—30 нм
3—5 нм
20—25 нм
Рис. 3. Модель поверхности 81 с нанокристаллом Ва812 (а) и Со812 (б).
использованием РЭМ и ДБЭ показало, что на картинах ДБЭ системы Ва812/81(111) явно обнаруживаются двойниковые рефлексы. Наличие двойн
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.