ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 4, с. 95-98
УДК 533:537
ВЛИЯНИЕ БОМБАРДИРОВКИ ИОНАМИ Aг+ НА СОСТАВ И СТРУКТУРУ ПОВЕРХНОСТИ НАНОПЛЕНОК ^ь^(Ш)
© 2015 г. С. Б. Донаев*, А. К. Ташатов, Б. Е. Умирзаков**
Ташкентский государственный технический университет, 100095 Ташкент, Республика Узбекистан
*Е-таИ: chief_s@bk.ru; **Е-тай:ftmet@mail.ru Поступила в редакцию 10.07.2014 г.
Изучено влияние бомбардировки ионами Аг+ на состав и структуру поверхности нанопленок Со812/81. Показано, что в процессе ионной бомбардировки происходит разложение Со812 на компоненты и обогащение поверхности атомами После прогрева при Т = 850—900 К формируется на-нопленочная система 81—Со812—81.
Ключевые слова: нанопленки Со812/81, ионная бомбардировка, состав и структура поверхности. БО1: 10.7868/8020735281504006Х
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время наноразмерные структуры, созданные на поверхности полупроводниковых и диэлектрических пленок, имеют большие перспективы при разработке приборов микро-, опто-и наноэлектроники. При этом особый интерес представляют нанопленки типа 81—Со812/81, которые могут использоваться в приборных структурах для формирования омических и барьерных контактов, в схемах памяти, в транзисторах с проницаемой и металлической базой [1—4]. Расчеты показывают, что такие транзисторы могут иметь граничную частоту усиления^ > 100 ГГц [1]. Эти структуры в основном выращиваются методом молекулярно-лучевой и твердофазной эпитак-сии. При этом сплошные однородные пленки 81 на поверхности Со812 растут, начиная с толщины d > 50—60 А [2]. Однако современное развитие на-ноэлектроники во многих случаях требует получения отдельных нанокристаллических фаз и на-нопленок с толщиной d < 40—50 А.
Известно [4—7], что при уменьшении размеров наноструктур до величины, соизмеримой с длиной свободного пробега электронов или де-брой-левской длиной волны происходит резкое изменение их физических (электрических, оптических и других) свойств, т.е. начинают проявляться квантово-размерные эффекты. Размерные эффекты зависят от многих внешних и внутренних факторов, и пока еще не существуют достоверные экспериментальные и теоретические работы, позволяющие успешно решить основные вопросы, связанные с квантово-размерными эффектами. Поэтому проведение экспериментов по исследованию физических свойств наноразмерных структур с различными размерами, природой и
составом является актуальной задачей современной электроники.
Ранее нами показано [7—9], что при имплантации ионов активных металлов с энергией Е0 < 5 кэВ при дозах Б = (5—10) х 1014 см-2 на поверхности 81 появляются отдельные, сильно легированные участки размером 10-20 нм, а при больших дозах (Б > 1016 см-2) — однородно легированный сплошной слой. После прогрева при Т = 1200—1300 К на этих участках формируются силициды типа Ме812, кристаллическая структура и кристаллографическая ориентация которых полностью совпадают с матрицей.
В то же время в [10, 11] показано, что бомбардировка многокомпонентных пленок электронами и ионами позволяет получить различные нанораз-мерные структуры из отдельных компонентов на поверхности и в приповерхностном слое этих пленок. Подобные структуры важны при разработке оптоэлектронных приборов и устройств магнитной памяти. Однако до настоящего времени не проводились экспериментальные исследования по изучению физико-химических свойств поверхности гетероструктур типа Ме812/81, подвергнутых бомбардировке электронами и ионами. Поэтому данная работа посвящена изучению изменения состава и структуры поверхности нано-пленок Со812/81 при бомбардировке ионами Аг+ и последующем термическом отжиге.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Ионная бомбардировка, термический отжиг, а также изучение состава и структуры исследуемых образцов проводилась в одном и том же экспериментальном приборе в условиях сверхвысокого
96
ДОНАЕВ и др.
ёЫ/ёБ
0
10
20
ДБ, эВ
Рис. 1. Спектры ХПЭЭ, снятые при Ер = 100 эВ, для пленки со812/81(111), бомбардированной ионами Аг+ с Е0 = 1 кэВ разными дозами Б, см-2: 1 — 0; 2 — 8 х 1014; 3 — 6 х 1016.
вакуума (Р = 10-7 Па). В качестве объектов исследования использовались монокристаллические пленки Со812/81(111) толщиной 10—50 нм, полученные методом молекулярно-лучевой эпитак-сии. Ионы Аг+ направлялись перпендикулярно поверхности, их энергия варьировалась в пределах Е0 = 0.5—5.0 кэВ, а доза облучения Б = 1014— 1017 см—2. Исследования проводились с использованием методов оже-электронной спектроскопии (ОЭС), спектроскопии характеристических потерь энергии электронов (СХПЭЭ), растровой электронной микроскопии (РЭМ). В прибор одновременно можно было установить 5—6 исследуемых образцов. Техника и методика эксперимента подробно описаны в [9]. При снятии профилей распределения атомов Со по глубине травление поверхности осуществлялось ионами Аг+ с энергией Е0 = 3 кэВ, направленными под углом 75°— 80° относительно нормали к поверхности.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЯ
Перед исследованием пленки Со812/81(111) обезгаживались при Т = 900 К в течение 2—3 ч, что позволило уменьшить поверхностную концентрацию примесных атомов О и С до 0.5—1.0 ат. %. На рис. 1 приведены спектры ХПЭЭ Со812/Б1(111),
подвергнутых бомбардировке ионами Аг+ с энергией Е0 = 1 кэВ разными дозами. На спектре чистого Со812 обнаруживаются пики ХПЭЭ при энергиях 6, 9, 13.8 и 17 эВ. Наличие пиков с энергиями Е = 9, 13.8, и 17 эВ нами объясняется возбуждением плазменных колебаний валентных электронов: поверхностных Йю8, объемных Йюу и двукратных поверхностных 2Йю8.
Валентная зона Со812 сформирована из 38- и 3^-орбиталей 81 и 3ё-орбиталей Со [4]. Поэтому наличие пиков с энергией 3 и 6 эВ можно объяснить возбуждением электронов из максимумов плотности состояний валентных электронов. Заметное изменение спектра Со812 наблюдалось начиная с Б ~ 2 х 1014 см—2. Для упрощения анализа спектров ХПЭЭ в основном следили за изменениями пиков плазменных колебаний. Как видно из кривой 2 рис. 1, при Б = 8 х 1014 см—2 все пики ХПЭЭ Со812 сохраняются, однако их интенсивность существенно уменьшается и появляется малоинтенсивный пик межзонного перехода 81 с энергией Е ~ 4 эВ. При этом практически не обнаруживаются пики плазменных колебаний, характерные для чистого кремния.
Анализ спектров ХПЭЭ совместно с ОЭС и РЭМ показывает, что в процессе ионной бомбардировки происходит разложение Со812 на компоненты и атомы 81 преимущественно диффундируют к поверхности. При небольших дозах (Б < 1015 см—2) ионы попадают на отдельные участки поверхности и образуются кластерные фазы 81. Вследствие того что поверхностные размеры этих кластерных фаз небольшие (ё < 20—25 нм) и они существенно отделены друг от друга (расстояние между их центрами 50—60 нм) [8], на спектре ХПЭЭ основные пики Со812 полностью сохраняются, а пики, обусловленные коллективными колебаниями валентных электронов 81, еще не формируются. Интенсивности пиков Со812 с ростом дозы Б монотонно уменьшаются, что обусловлено увеличением поверхностных размеров "кремниевых" фаз. Одновременно происходит полное разупоря-дочение приповерхностных слоев Со812. При Б = = 4 х 1016 см—2 на спектре устанавливаются практически все пики ХПЭЭ, характерные для 81, в частности пики с Е = 11, 18 и 23 эВ, обусловленные возбуждением коллективных колебаний валентных электронов (рис. 1, кривая 3). Можно полагать, что при больших дозах ионов (Б > 1016 см—2) вся поверхность однородно покрывается атомами 81. Это должно приводить к перераспределению атомов Со в приповерхностной области системы Со812/81.
Для снятия профилей распределения атомов Со по глубине в одинаковых условиях исследовали три образца Со812/81(111): чистый Со812/81(111);
ВЛИЯНИЕ БОМБАРДИРОВКИ ИОНАМИ Аг+ НА СОСТАВ И СТРУКТУРУ ПОВЕРХНОСТИ
97
/со, отн. ед.
15
10
Со812
'X I
А - т ж
\3 \
\ ■ \ :
А'
0
40
80
120
160 й, А
Рис. 2. Профили распределения атомов Со по глубине пленки Со812/81: 1 — исходный образец; 2 — после эовки ионами Аг+ с Е0 = 1 кэВ при Б = 6 х
х 10 см 2; 3 — после нагрева при Т = 900 К в течение 30 мин.
Со812/81(111), после бомбардировки ионами Аг+ с Е0 = 1 кэВ при Б = 6 х 1016 см-2 и этот же образец после прогрева при Т = 900 К в течение 30 мин. Результаты экспериментов представлены на рис. 2. Видно, что после ионной бомбардировки концентрация атомов Со в поверхностных слоях уменьшается до нуля, а на границах 81-Со812 и Со812-81 она резко увеличивается. По-видимому, после разложения силицида атомы 81 диффундируют к поверхности, оставляя вакансии и несвязанные атомы Со. Толщина поверхностного слоя кремния составляет 15-20 А. Большая часть атомов Со перераспределяется, заполняя эти вакансии, и на границе 81/Со812 образуется тонкий переходный слой, обогащенный кобальтом. Часть атомов Со диффундирует к границе Со812/81 и переходит в область матрицы 81(111). Анализ электронограмм показывает, что все эти процессы сопровождаются сильным разупорядочением приповерхностных слоев системы (рис. 3а). Постимплантаци-онный отжиг в течение 30 мин начиная с Т = = 550-600 К приводил к изменению концентрации атомов Со на границах раздела, образованию соединений диффундирующих атомов Со с атомами 81 и появлению упорядоченных структур. При Т = 900 К происходит полная кристаллизация аморфизованной области образца (рис. 3б), и образуется гетероэпитаксиальная пленочная структура 81/Со812/81( 111). Как видно из рис. 2 (кривая 3), толщина поверхностной пленки 81 уменьшается и составляет 8-10 А. Одновременно происходит некоторое смещение пленки Со812 в область подложки, т.е. практически восстанавли-
Рис. 3. Электронограммы от поверхности Со812/81 (111): а - чистая поверхность; б - после бомбардировки ионами Аг+ с Е0 = 1 кэВ при Б = 6 х 1016 см-2; в - после нагрева облученной пленки при Т = 900 К.
вается первоначальная толщина пленки Со812. Дальнейшее увеличение температуры приводило к рекристаллизации поверхностного слоя, однако наблюдалась интенсивная диффузия Со к поверхности и изменение стехиометрического состава силицида кобальта в целом.
5
98
ДОНАЕВ и др.
При нагреве пленки Со812/8
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.