WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 10 Формирование сверхтонких слоев силицидов железа на поверхности монокристаллического кремния © М.В. Гомоюнова, Д.Е. Малыгин, И.И. Пронин Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия E-mail: marina.gomoyunova@mail.ioffe.ru (Поступила в Редакцию 2 февраля 2006 г.) Методом фотоэлектронной спектроскопии высокого разрешения с использованием синхротронного излучения изучен твердофазный синтез силицидов железа на поверхности Si(100)2 1, на которую при комнатной температуре была нанесена пленка железа толщиной 5 ML. С помощью компьютерного моделирования измеренных Si 2p-спектров показано, что процесс силицидообразования в исследованной системе обнаруживается уже при отжиге образца до 60C и состоит в последовательном формировании трех фаз силицидов железа — моносилицида -FeSi, метастабильного дисилицида -FeSi2 и дисилицида -FeSi2. Определены температурные диапазоны существования этих фаз. Обнаружена сегрегация кремния на поверхности -FeSi2.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 04-02-17651), Федерального агентства по науке и инновациям РФ (госконтракт № 02.434.11.2027) и Российско-германской лаборатории на синхротроне BESSY.

PACS: 68.37.Xy, 68.43.Bc, 68.43.Dc, 68.55.Jk, 68.60.Wm При взаимодействии атомов железа с поверхностью мы показали, что при напылении на нее 4 монослокремния образуется целый ряд стабильных и метаста- ев (ML) железа при комнатной температуре формирубильных соединений [1–9]. Среди стабильных силицидов ется твердый раствор Fe-Si. Однако после достижения железа (Fe3Si, -FeSi, -FeSi2) наибольшее внимание критической дозы, равной примерно 5 ML Fe, раствор привлекает дисилицид -FeSi2, являющийся прямозон- перестраивается в силицид Fe3Si, богатый железом.

ным полупроводником с шириной запрещенной зоны В настоящей работе продолжено изучение процессов 0.85 eV, что представляет значительный интерес для силицидообразования в данной системе. Целью работы оптоэлектроники [10–12]. Метастабильные силициды было установить закономерности формирования различжелеза могут обладать необычными для стабильных фаз ных силицидных фаз, образующихся на поверхности свойствами и быть перспективными для наноэлектроSi(100)2 1 при повышенных температурах. Толщина ники. При этом для кремниевой технологии наиболее исходного слоя железа, нанесенного на поверхность важны силицидные структуры, сформированные на покремния, составляла 5 ML. Исследование проведено меверхности Si(100)2 1.

тодом фотоэлектронной спектроскопии высокого разФормирование метастабильных силицидов железа в решения с использованием синхротронного излучения.

процессе твердофазного синтеза обусловлено влиянием При этом основное внимание уделено анализу спектров подложки, способствующей их эпитаксиальному росту.

остовных Si 2p-электронов, которые очень чувствиПри этом они, как правило, возникают при отжительны к изменениям электронного состояния атомов ге монокристаллов кремния, покрытых сверхтонкими поверхности [14].

пленками железа (толщиной нескольких монослоев), и оказываются в напряженном состоянии. Причем в 1. Техника эксперимента сходных экспериментальных условиях разные авторы наблюдали формирование различных метастабильных фаз.

Эксперименты проводились на Российско-германском Так, например, в работе [1] сообщается об образовании канале синхротронного излучения на накопительном метастабильного дисилицида -FeSi2 со структурой типа кольце BESSY (г. Берлин). Спектры фотоэлектронов сниCaF2. В работе [6] обнаружен метастабильный дисилимались при комнатной температуре при энергии фотоцид железа со структурой типа CsCl, а в работе [8] нов h = 130 eV, при которой реализуется их наибольавторы наблюдали образование дисилицида -FeSi2, кошая поверхностная чувствительность. Регистрировались торый является стабильным лишь при температурах, фотоэлектроны, вылетающие в конусе, ориентированном превышающих 920C. Закономерности формирования вдоль нормали к поверхности. Полное энергетическое метастабильных силицидов железа и фазовые переходы разрешение прибора (с учетом немонохроматичности из одних фаз в другие к настоящему времени изучены недостаточно и требуют проведения дальнейших иссле- фотонов) составляло 0.13 eV.

дований. Исследуемые образцы изготовлялись из монокристалВ нашей недавней работе [13], посвященной взаимо- лов кремния n-типа, легированного фосфором (пластины действию атомов железа с поверхностью Si(100)2 1, КЭФ-1). Разориентация их поверхности относительно Формирование сверхтонких слоев силицидов железа на поверхности монокристаллического кремния грани (100) не превышала 0.1. Перед загрузкой в ка- поверхностной моды SA этой же фазы (характеризуемой меру спектрометра кристаллы подвергались химической сдвигом -0.27 eV относительно моды A); и, наконец, обработке по методу Шираки [15]. Далее они кратко- интерфейсной моды I, соответствующей атомам, локавременно прогревались в сверхвысоком вакууме до тем- лизованным на границе раздела кремния и силицида пературы 1200C и медленно остывали со скоростью, железа.

не превышавшей 50C/min, что обеспечивало по- Обратимся теперь к рассмотрению данных, полученлучение реконструированной поверхности Si(100)2 1, ных в процессе отжига образца. В ходе эксперимента его свободной от кислородных и углеродных загрязнений.

температура повышалась ступенями через 60-150C.

Элементный состав поверхности исследуемых образцов Длительность отжигов составляла 3 минуты. Измерение контролировался методом фотоэлектронной спектроско- спектров фотоэлектронов проводилось после остывания пии.

образца до комнатной температуры.

Железо на поверхность кристалла напылялось из тща2.1. Э в о л ю ц и я с п е к т р о в Si 2p - электронов тельно обезгаженного источника при комнатной темпес повышением температуры отжига. Как ратуре. Источник представлял собой стержень из особо видно из рис. 1, при увеличении температуры образца чистого железа, нагрев которого осуществлялся с помонаблюдается сложная динамика изменения спектров, щью электронной бомбардировки. Скорость напыления демонстрирующая многоэтапный характер процесса сисоставляла 1 ML/min. При этом за 1 ML атомов желелицидообразования в рассматриваемой системе. Перза принималось покрытие, содержащее 6.8 1014 at/cm2 вый же прогрев кристалла до сравнительно невысокой и равное концентрации атомов кремния на поверхности температуры 60C существенно меняет вид спектра.

подложки. Рабочий вакуум в приборе был не хуже Из него исчезает мода A и появляется новая состав1.2 10-8 Pa.

ляющая C с положительным энергетическим сдвигом 0.25 eV, интенсивность которой сопоставима с интенсивностью моды B. Эти данные непосредственно сви2. Результаты измерений детельствуют о начале твердофазной реакции между и их обсуждение атомами Si и Fe, которая приводит к формированию новой силицидной фазы, характеризуемой модой C.

Исходный Si 2p-спектр, измеренный после нанесения Сопутствующая ей новая незначительная составляющая на поверхность Si(100)2 1 пяти монослоев железа, спектра SC (со сдвигом -0.51 eV относительно моды C) проводившегося при комнатной температуре, приведен является, по-видимому, поверхностной модой образовавна рис. 1. При его построении из экспериментальной шегося силицида. В пользу такого вывода свидетелькривой методом Ширли [16] был вычтен фон неупруго ствуют данные [5,18], согласно которым поверхностные рассеянных электронов. Представленный спектр очень моды силицидов железа имеют отрицательный энергетиблизок к спектру, полученному в [13] также после ческий сдвиг относительно их объемных составляющих.

напыления на эту же грань кремния 6 ML железа.

Присутствие в рассматриваемом спектре моды I, а также Спектры валентных электронов в этих двух случаях ее слабая зависимость от последующих отжигов, протакже практически идентичны. Поэтому можно считать, водимых при более высоких температурах, позволяют что и в нашем случае после нанесения пленки железа рассматривать ее как интерфейсную, т. е. обусловленную толщиной 5 ML на поверхности образца формируется атомами кремния, локализованными на границе раздела силицид Fe3Si, богатый железом.

кремния и силицида железа.

На этом же рисунке показаны и результаты компьюДальнейшее повышение температуры отжига образца терного разложения измеренного спектра на составляв диапазоне до 250C оказывает не сильное влияние ющие. Процедура разложения описана в работе [17].

на вид спектра. В этом температурном интервале соКаждая мода анилизируемого спектра описывалась спинхраняются все четыре рассмотренные выше моды, и наорбитальным дублетом с расщеплением 2p3/2- и 2p1/2блюдается лишь некоторое изменение их относительной подуровней, равным 0.61 eV. Отношение интенсивностей интенсивности. В частности, усиливается мода C нового линий этих подуровней принималось равным двум, а силицида и ослабляется объемная мода B кремния, что форма линии описывалась Voigt-функцией, являющейся свидетельствует о продолжении реакции твердофазного сверткой функции Лоренца, учитывающей время жизни синтеза соответствующей силицидной фазы.

дырки на остовном уровне, и распределения Гаусса, описывающего фононное уширение спектра и энергети- Отжиг образца до температуры 350C приводит к резкому изменению формы линии спектра. В области ческое разрешение прибора. При разложении спектра на отрицательных энергетических сдвигов в нем вознисоставляющие оптимизировались энергетические сдвиги кает новая особенность, обусловленная значительным мод, их ширины и интенсивности.

Как видно из рис. 1, спектр состоит из четырех уменьшением интенсивности прежних мод и появлемод: объемной моды B монокристаллического кремния нием двух новых — D1 и SD1, характеризуемых со(энергия связи электронов этой составляющей спектра, ответственно положительным (0.16 eV) и отрицательравная 99.35 eV, принята за „0“ на данном рисунке); мо- ным (-0.37 eV) энергетическим сдвигом. С дальнейшим ды A силицида Fe3Si с энергетическим сдвигом -0.28 eV; ростом температуры эта особенность превращается в Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 1900 М.В. Гомоюнова, Д.Е. Малыгин, И.И. Пронин Рис. 1. Si 2p-спектры поверхности Si(100)2 1, измеренные при энергии фотонов 130 eV после нанесения 5 ML железа при комнатной температуре и после отжигов образца до различных температур. Разной штриховкой обозначены результаты разложения спектров на составляющие.

четкий максимум, и в диапазоне T = 420-500C вид и -0.33 eV, а также заметным уменьшением мод Dспектра меняется мало. Однако в данном температурном и SD1. Таким образом, на данном этапе также наблюинтервале происходит исчезновение мод C и SC, сопро- дается фазовый переход.

вождающееся усилением мод D1 и SD1. Такое поведение 2.2. Изменение спектров электронов васоставляющих спектра свидетельствует о перестройке лентной зоны при отжиге образца. Соодной силицидной фазы в другую. поставим описанные выше результаты исследования Si Наконец, отжиг образца до температуры 630Cвновь 2p-спектров с данными, полученными при измерении приводит к значительным изменениям формы линии спектров валентной зоны. Соответствующие кривые спектра. Они обусловлены возникновением двух но- представлены на рис. 2. Видно, что в процессе твердовых мод D2 и SD2 с энергетическими сдвигами 0.2 фазного синтеза наблюдается заметное изменение спектФизика твердого тела, 2006, том 48, вып. Формирование сверхтонких слоев силицидов железа на поверхности монокристаллического кремния Описанные сирхронные видоизменения спектров остовных и валентных электронов указывают на то, что наблюдавшиеся в них особенности взаимосвязаны и характеризуют последовательно формирующиеся фазы силицидов железа.

2.3. И д е н т и ф и к а ц и я н а б л ю д а е м ы х ф а з с и л и ц и д о в ж е л е з а. Первой силицидной фазой, возникающей при отжиге тонких пленок железа (менее 20 ML), обычно является моносилицид железа -FeSi [1,7,19,20]. Что касается энергии связи Ei остовных Si 2p-электронов этого соединения, то имеется лишь три работы двух авторских групп, в которых можно найти их значения, равные 99.0 и 99.7 eV согласно [18] и [21] соответственно. Следует отметить, что энергетический сдвиг моносилицида железа относительно кремния зависит от типа проводимости образца [22]. Так, для кремния n-типа энергия связи остовных электронов составляет 99.4 eV [21]. Поэтому, учитывая приведенное выше значение Ei моносилицида, относительный энергетический сдвиг этого соединения составляет +0.3eV. В то же время для кремния p-типа данный сдвиг оказывается равным -0.1eV [18].

В нашем эксперименте подложкой являлся монокристалл кремния n-типа, и поэтому полученные результаты следует сопоставить с данными работы [21].

Действительно, как абсолютное значение энергии связи Si 2p-электронов (99.65 eV), измеренное для первой полученной отжигом силицидной фазы (с модой C), так и ее энергетический сдвиг (0.25 eV) оказались весьма Рис. 2. Спектры валентной зоны, измеренные после нанесения близкими к значениям, полученным в работе [21]. Это на поверхность Si(100)2 1 5 ML железа при комнатной темпозволяет отождествить данную фазу с моносилицидом пературе и после отжигов образца до различных температур.

-FeSi. В пользу такого заключения свидетельствует и измеренный нами для данного состояния образца спектр валентной зоны, близкий к приведенному в работе [7] ров валентных электронов. При этом изменения проявдля FeSi.

ляются синхронно с обнаруженными для Si 2p-спектСледующая силицидная фаза с модами D1 и SDров. Так, первый же отжиг кристалла до 60C меняет наблюдалась нами в диапазоне температур отжига форму линии основного максимума спектра валентных 420-500C. Ее элементный состав, оцененный из анаэлектронов. Он утрачивает типичную для Fe3Si плоскую лиза интенсивностей линий Fe 3p и Si 2p, соответвершину, превращаясь в достаточно острый максимум ствует дисилициду железа FeSi2. Характерная для этого при 0.7 eV, плавно спадающий в сторону больших энерсостояния образца структура валентной зоны сильно гий связи электронов. Такой вид спектра сохраняется в отличается от структуры, свойственной -FeSi2 [1]. Подиапазоне температур отжига 60-250C, т. е. в том же этому данный дисилицид железа является не стабильной интервале, в котором доминирует фаза силицида железа, фазой, а метастабильной. Вопрос об идентификации характеризуемая модой C.

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.