WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 10 Магнитное упорядочение в кристаллическом Si, имплантированном ионами Co промежуточных флюенсов © Н.А. Поклонский¶, Н.М. Лапчук, А.О. Коробко Белорусский государственный университет, 220030 Минск, Белоруссия (Получена 6 февраля 2006 г. Принята к печати 16 февраля 2006 г.) Исследовался кристаллический Si, имплантированный ионами кобальта (флюенс = 1014-1016 см-2) с энергией 380 кэВ. Методом резерфордовского обратного рассеяния определен порог аморфизации Si ( = 3 · 1014 см-2). При температуре T = 78 K в имплантированном Co+ кремнии для 3 · 1014 см-2 зарегистрирована квазирезонансная анизотропная линия электронного парамагнитного резонанса шириной порядка 170 мТл. На фоне этой линии наблюдался резонансный сигнал парамагнитных центров аморфных областей Si (g = 2.0057, B = 0.74 мТл). Квазирезонансная линия электронного парамагнитного резонанса от атомов Co и собственных дефектов Si при T = 300 K не наблюдалась.

PACS: 61.72.Hh, 61.72.Tt, 76.30.Lh, 81.05.Cy, 81.40.Rs 1. Введение кремния ионами Co+ при комнатной температуре. Изучение распределения внедренного в кремний кобальта и Интеграция магнитных материалов в полупроводнинаведенного при этом парамагнетизма осуществлялось ковую электронику делает возможным создание новых методами резерфордовского обратного рассеяния (РОР) элементов хранения информации [1]. Появляется вози электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).

можноcть управления свойствами магнитных материалов системы при помощи изменения оптических и элек2. Методика эксперимента трических свойств полупроводника. Актуальным является также создание двумерных систем ферромагнитных Методами РОР и ЭПР исследовались пластины частиц для использования в спинтронике [2].

p-Si (толщина 300 мкм, плоскость (100), удельное Формирование магнитных структур в полупроводнисопротивление 3 кОм · см), в которые имплантироках может осуществляться различными методами: хивались ионы Co+ с энергией 380 кэВ (флюенсы мическим осаждением из газовой фазы, молекулярной = 1014, 3 · 1014, 1015, 3 · 1015, 1016 см-2). Имплантация лучевой эпитаксией или ионной имплантацией. Так, имкремния ионами Co+ проводилась при комнатной темпеплантация кристаллического кремния ионами переходратуре на ускорителе частиц ROMEO (400 кВ), угол имных металлов (Co, Ni и Fe) используется для создания плантации равнялся 7 (для исключения каналирования магнитных нанокластеров, а также силицидов металлов ионов), плотность ионного тока — 0.12-0.2мкА/см2.

(см., например, [3–6]), которые находят применение для После имплантации проводился быстрый термический соединений элементов интегральных микросхем [7,8].

отжиг (БТО) образцов при температурах Tann = Перспективность использования силицидов связана не и 1000C в течение 60 с в атмосфере аргона. Изметолько с их термостабильностью[9] и низким удельным рение спектров РОР осуществлялось на ускорителеэлектрическим сопротивлением [10], но и с их совместитандетроне JULIA (3МВ)1 в Университете им. Фридримостью с кремниевой микроэлектроникой.

ха Шиллера, ФРГ. Зондирующие частицы — ионы He+, Наряду с высокофлюенсной ( 1017 см-2) импланугол обратного рассеяния ионов He+ составлял 170.

тацией кристаллов кремния ионами переходных металРегистрация спектров РОР проводилась при ориентиролов с энергиями от десятков до сотен кэВ, которая ванном (осевой спектр) и неориентированном (случайприводит к созданию силицидов, проводится и импланный спектр) пучке ионов гелия.

тация малыми или промежуточными флюенсами ионов Измерения ЭПР выполнялись на спектрометре для изучения процессов, происходящих на ранней ста„RadioPAN SE/X 2543“ с резонатором H102 (частодии мезотаксии. Из-за того что процессы коалесценции та 9.321 ГГц) при модуляции поляризующего магнитного атомных дефектов еще не происходят (т. е. слои силиполя частотой 100 кГц, чувствительность спектрометцидов металлов не образуются) [6], становится возможра — 3 · 1012 спин/мТл. Для контроля добротности реным исследование структурных изменений, например зонатора, настройки фазы модуляции магнитного поля образование аморфной фазы кремния и формирование и калибровки H1-компоненты СВЧ излучения испольпреципитатов CoSi2.

зовался кристалл рубина (Al2O3 : Cr), размещенный на Цель данной работы — выявление закономерностей стенке резонатора. Исследуемые образцы кремния поизменений в структуре монокристаллического кремния, мещались в центр H102-резонатора.

возникающих в результате имплантации кристаллов ¶ E-mail: poklonski@bsu.by Jena University Laboratory for Ion Acceleration.

1182 Н.А. Поклонский, Н.М. Лапчук, А.О. Коробко 3. Результаты и их обсуждение 3.1. Измерения резерфордовского обратного рассеяния Общий вид спектров РОР имплантированного кремния для разных флюенсов Co+ представлен на рис. (каналирование ионов He+ вдоль направления [100]).

Видно, что при регистрации спектра РОР образца с флюенсом имплантации = 1014 см-2 аморфизация кремния не наблюдалась (рис. 1, a, кривая 1). Вспектрах РОР при = 3 · 1014 см-2 (рис. 1, a, кривая 2) появляются очаги аморфной фазы Si, которые слабо отличимы от сильно разупорядоченных областей. Поэтому эту велиРис. 2. Спектры резерфордовского обратного рассеяния:

чину флюенса можно отнести к некоему пороговому a — от образцов p-Si, имплантированного ионами Co+ значению, после которого наблюдается аморфизация ( = 3 · 1015 см-2); b —от атомов Co в образцах p-Si. Спектры кремния. При увеличении флюенса ионов Co+ наблюдаизмерены: 1 —до отжига; 2, 3 — после быстрого термического ется уширение аморфного слоя кремния за счет накоп отжига при Tann, C: 2 — 800, 3 — 1000; 4, 5 —исходный ления и перекрытия аморфных областей. Максимальная образец. Регистрация спектров проведена при ориентированширина аморфного слоя кремния 0.44 мкм наблюдаетном (1–4) и неориентированном (5) пучке ионов He+.

ся при флюенсе = 1016 см-2 (рис. 1, a, кривая 5).

При флюенсах имплантации = 1015 и 3 · 1015 см-ширина аморфного слоя кремния практически одинакова РОР можно наблюдать небольшую ступеньку в сигнале (см. рис. 1, кривые 3, 4) и составляет 0.37 и 0.38 мкм облученного Si после БТО (рис. 2, a, кривые 2, 3).

соответственно.

Это, возможно, обусловлено восстановлением плоскоОпределенная методом РОР глубина залегания атостей решетки в имплантированном кристалле вследмов Co в кремнии для максимального флюенса ствие отжига и перестройки дефектов. В неотожженном = 1016 см-2 составляет 0.3 мкм и в целом соимплантированном образце при условии каналирования гласуется с данными моделирования по програмнаблюдается пик (кривая 1), соответствующий дефектам ме TRIM/SRIM2003.

кремния, расположенным на пути луча ионов He+.

Из спектров РОР образца Si, имплантированного флюПосле отжига пик, соответствующий собственным деенсом 3 · 1015 см-2, видно (рис. 2, a, кривые 2, 3), что пофектам кремния (аморфная область), исчезает, т. е. просле БТО как при Tann = 800C, так и при Tann = 1000C изошло упорядочение атомов Si. В имплантированных разупорядоченный слой Si почти полностью рекристалобразцах после БТО профиль залегания Co смещается к лизовался: кривые 2, 3 сравнимы с сигналом РОР от приповерхностной области (рис. 2, b, кривые 2, 3), что, неимплантированного кремния (кривая 4). В спектре возможно, связано с наличием градиента температуры между объемом и поверхностью образца или с эпитаксиальной рекристаллизацией. Как показано в [11], эпитаксиальная рекристаллизация может сопровождаться вытеснением примеси фронтом кристаллизации, в результате чего часть атомов Co смещается из объема и накапливается в приповерхностной области. После БТО (800C, t = 60 c) форма сигнала Co в кремнии практически не изменилась (рис. 2, b, кривая 2), в то время как сигнал кобальта после БТО при 1000C, t = 60 c (рис. 2, b, кривая 3) стал более узким и возросла интенсивность сигнала. Это связано с одновременным уменьшением концентрации собственных дефектов кремния в результате отжига и локализацией атомов Co в приповерхностной области кремния.

Для образца, имплантированного Co+ флюенсом Рис. 1. Спектры резерфордовского обратного рассеяния:

= 1016 см-2, число регистрируемых импульсов РОР a —от образцов p-Si, имплантированного ионами Co+; b —от после БТО уменьшается. Это, возможно, обусловлено атомов Co в образцах p-Si. Флюенсы Co+, 1014 см-2: 1 —1, процессами рекристаллизации аморфного слоя и транс2 —3, 3 — 10, 4 — 30, 5 — 100; 6, 7 —исходный образец.

формацией дефектно-примесной структуры в образце.

Регистрация спектров проведена при ориентированном (1–6) и неориентированном (7) пучке ионов He+. Также заметно, что после БТО уменьшается толщина Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Магнитное упорядочение в кристаллическом Si, имплантированном ионами Co... аморфного слоя кремния и сигнал РОР от импланти- g-фактор, соответствующий оборванным химическим рованного кобальта становится более выраженным, т. е. связям в аморфном кремнии, равен 2.0055. Незначипроисходит процесс, аналогичный описанному выше для тельное увеличение g-фактора может означать влияние флюенса 3 · 1015 см-2. кобальта на парамагнитные центры аморфных областей.

Отметим, что сигнал ЭПР от областей аморфного кремния в p-Si регистрировался при T = 78 K на фоне 3.2. Измерения электронного парамагнитного квазирезонансной линии шириной порядка 170 мТл, резонанса принадлежащей кобальту (см. рис. 3). Можно предположить, что эта квазирезонансная линия ЭПР обусловлена При температуре T = 300 K в имплантированных обмагнитоупорядоченными группами оборванных связей, разцах p-Si наблюдался сигнал ЭПР малой интенсивгенерируемыми при имплантации кобальта в образец ности (g = 2.0057, ширина B = 0.74 мТл). Для качемонокристаллического кремния и образующими ственной интерпретации полученных результатов можно выделенное направление. Однако такое предположение провести аналогию с работой [12], где приводятся рене позволяло объяснить аномально большую ширину зультаты измерений ЭПР кварцевого стекла, имплантинаблюдавшегося сигнала (B 170 мТл), которая к тому рованного ионами железа с разными флюенсами. Сигнал же слабо менялась при вращении образца в магнитном ЭПР при T = 300 K, обусловленный кластерами железа поле. Сравнение же с результатами, приведенными в раили уединенными парамагнитными ионами железа, при боте [12], показывает, что широкий анизотропный сигнал имплантации с меньшими флюенсами может не наблюобусловлен ферромагнитным резонансом от кластеров даться в связи с незначительной концентрацией таких из атомов кобальта, имплантированных в кремний.

центров, а также с ориентационным усреднением сигнаЭто заключение согласуется с данными работы [15], лов от отдельных ионов железа в аморфном SiO2 [12].

где наблюдался при T = 300 K ферромагнитный реСкорее всего, этот же механизм действителен и при зонанс с характерной широкой линией для поликриимплантации Co+ в p-Si.

сталлических образцов Co в форме диска (диаметр При температуре T = 78 K регистрировался (рис. 3) d = 3 мм, толщина t = 0.1мм). Аналогичная линия ЭПР интенсивный сигнал ЭПР аморфного кремния (g = шириной B 200 мТл, обладающая магнитным гисте= 2.0057, B = 0.74 мТл), обусловленный оборванными резисом, была замечена нами в синтетическом алмазе, связями Si-Si, возникшими в результате имплантации содержащем включения металлов-растворителей [16].

Co+. Амплитуда сигнала ЭПР при 78 K в 4 раза больше, Отметим, также, что ферромагнитный резонанс наночем при 300 K. Известно (см., например, [13,14]), что кластеров MnAs в кристаллическом кремнии с характерной широкой линией B 50 мТл в малых полях наблюдался в [17] при последовательной имплантации Mn+ (200 кэВ) и As+ (260 кэВ) флюенсами от 5 · до 5 · 1016 см-2.

При записи квазирезонансной линии в спектре ЭПР кремния, имплантированного ионами кобальта ( 3 · 1014 см-2), наблюдается гистерезис: многократная запись в прямом и обратном направлениях развертки внешнего магнитного поля выявляет остаточную намагниченность образца. Для наблюдения гистерезиса образец поворачивали в СВЧ резонаторе на угол 360, и после такого поворота узкая линия (g = 2.0057, внутренняя спин-метка) не возвращается к своему начальному положению, что свидетельствует о возможности процессов намагничивания и размагничивания имплантированного Co+ образца кремния.

В спектре ЭПР регистрируется интенсивная линия Рис. 3. Спектр ЭПР Si, имплантированного Co+ флюенсом с g-фактором, близким к g-фактору, соответствующе = 3 · 1015 см-2. На квазирезонансной линии поглощения му оборванным химическим связям между атомами в заметен сигнал рубина Al2O3:Cr и сигнал оборванных химиаморфном кремнии, что говорит о наличии аморфных ческих связей между атомами Si (g = 2.0057). Температура областей после достижения флюенса 3 · 1014 см-2 (порог регистрации T = 78 K, индукция поляризующего магнитного аморфизации). Изучение зависимости интенсивности поля B перпендикулярна плоскости (100) имплантированного сигнала ЭПР с g = 2.0057 (для флюенса 3 · 1015 см-слоя. На вставке — зависимость нормированной амплитуды A ионов Co+) от мощности СВЧ излучения показывает, сигнала с g = 2.0057 от величины напряженности H1 магнитчто зависимость эта близка к линейной, что характерно ной компоненты СВЧ поля в H102-резонаторе. Величина H1m соответствует мощности 70 мВт, Am — максимальная ампли- для парамагнитных центров аморфных областей Si (см.

туда сигнала ЭПР. вставку на рис. 3).

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 1184 Н.А. Поклонский, Н.М. Лапчук, А.О. Коробко 4. Заключение [16] Н.А. Поклонский, Т.М. Лапчук, А.О. Коробко. Тез. докл.

Межд. науч. конф. „Актуальные проблемы физики твердого тела“, Минск, 4–6 ноября 2003 г. (ИФТТП 1. Методом резерфордовского обратного рассеяния НАНБ, Минск, 2003) с. 44.

определен порог аморфизации (флюенс = [17] N.A. Sobolev, M.A. Oliveira, V.S. Amaral, A. Neves, M.C. Car= 3 · 1014 см-2) кристаллического кремния, импланmo, W. Wesch, O. Picht, E. Wendler, U. Kaiser, J. Heindrich.

тированного ионами кобальта с энергией 380 кэВ при Mater. Sci. Eng. B, 126, 148 (2006).

комнатной температуре. Для флюенса имплантации Редактор Т.А. Полянская = 1016 см-2 оценена толщина аморфного слоя кремния 0.44 мкм и глубина залегания ионов кобальта Magnetic ordering in monocrystal Si 0.3мкм.

2. При температуре T = 78 K в имплантированных implanted with Co ions of intermediate Co+ кристаллах кремния для 3 · 1014 см-2 зарегиfluences стрирована анизотропная квазирезонансная линия поN.A. Poklonski, N.M. Lapchuk, A.O. Korobko глощения СВЧ мощности в магнитном поле (шириной порядка 170 мТл). На фоне этой линии наблюдался Belarusian State University, резонансный сигнал (g = 2.0057, B = 0.74 мТл) пара220030 Minsk, Belarus магнитных центров аморфных областей кремния. (Квазирезонансная линия ЭПР от атомов Co при T = 300 K

Abstract

Silicon crystals implanted with cobalt ions (fluence не регистрируется).

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.