WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 9 05;11;12 Взаимодействие атомов железа с поверхностью окисленного кремния © М.В. Гомоюнова, Д.Е. Малыгин, И.И. Пронин Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, 194021 Санкт-Петербург, Россия e-mail: Marina.Gomoyunova@mail.ioffe.ru (Поступило в Редакцию 8 февраля 2006 г.) Методом фотоэлектронной спектроскопии остовных уровней с использованием синхротронного излучения изучено взаимодействие атомов железа с окиленной поверхностью Si(100)2 1 при комнатной температуре в области покрытий от субмонослойных до четырех монослоев. С помощью компьютерного моделирования спектров Si 2p-остовных электронов выявлен эффект проникновения атомов Fe под окисный слой кремния, который наблюдается даже при комнатной температуре. Показано, что этот процесс сопровождается исчезновением интерфейсных фаз кремния, существовавших на границе SiOx/Si, и приводит к появлению более сложной тройной фазы с участием атомов Fe, O и Si, а также к формированию в области межфазовой границы твердого раствора Fe-Si.

PACS: 68.35.Fx Полупроводниковые пленки дисилицида железа гетическое разрешение которого (с учетом монохро-FeSi2, сформированные на поверхности монокристал- матора) составляло 130 meV. Регистрировались фотолического кремния, представляют большой интерес для электроны, вылетающие в конусе, ориентированном современной опто- и наноэлектроники [1–6]. Так как по- вдоль нормали к поверхности. Измерения проводилучение достаточно совершенных нанометровых пленок лись при комнатной температуре с энергией фо-FeSi2 на грани Si(100), используемой в кремниевой тонов h = 130 eV, при которой реализуется наитехнологии, — сложная задача, актуальным является исбольшая чувствительность Si 2p-спектров к поверхследование всех факторов, которые могут оказывать влиности.

яние на формирование таких низкоразмерных структур.

Исследуемые образцы изготавливались из монокриНедавно было установлено [7–9], что на твердофазный сталлов кремния, легированного фосфором (пластины синтез дисилицида другого 3d-металла — кобальта, явКЭФ-1). Разориентация их поверхности относительно ляющегося ближайшим соседом железа в периодической грани (100) не превышала 0.1. Перед загрузкой в катаблице Менделеева, положительно влияет предваримеру спектрометра кристаллы подвергались химической тельное окисление поверхности Si(100)2 1, что проявобработке по методу Шираки [13]. Далее они кратколяется в улучшении морфологических свойств формирувременно прогревались в сверхвысоком вакууме до темемых пленок. В [10,11] мы показали, что при нанесении пературы 1200C и медленно остывали со скоростью, атомов кобальта на окисленную поверхность кремния на не превышавшей 50C/min, что обеспечивало поначальных стадиях процесса атомы металла проникают лучение реконструированной поверхности Si(100)2 1, под окисный слой. Этот эффект, наблюдавшийся при свободной от кислородных и углеродных загрязнений.

комнатной температуре, по-видимому, и способствует Элементный состав поверхности исследуемых образцов улучшению морфологии пленки дисилицида кобальта.

контролировался методом фотоэлектронной спектроскоПредставляло интерес выяснить, является ли укапии. Окисление поверхности монокристалла кремния занный эффект общим для атомов кобальта и желепроводилось in situ при температуре 500C путем эксза. С этой целью и была выполнена данная рабопозиции в атмосфере кислорода при давлении 10-5 Pa та, посвященная исследованию взаимодействия атомов в течение 100 s.

железа с окисленной поверхностью Si(100)2 1. Так же как и в [10,11], исследование проведено методом Железо на поверхность кристалла напылялось при фотоэлектронной спектроскопии высокого разрешения с комнатной температуре из источника, представлявшеиспользованием синхронного излучения [12].

го собой стержень из особо чистого и тщательно обезгаженного железа, нагрев которого осуществлялся с помощью электронной бомбардировки. Скорость 1. Техника эксперимента напыления составляла 1 ML/min. При этом за один Измерения проводились на российско-германском ка- монослой (ML) атомов железа принималось покрытие, нале синхротронного излучения на накопительном коль- содержащее 6.8 · 1014 at/cm2 и равное концентрации атоце BESSY (Берлин). Использовался сверхвысоковаку- мов кремния на поверхности подложки. Рабочий вакуум умный фотоэлектронный спектрометр, полное энер- в спектрометре был не хуже, чем 1.2 · 10-8 Pa.

Взаимодействие атомов железа с поверхностью окисленного кремния 2. Результаты и их обсуждение Типичные Si 2p-спектры, полученные для окисленной поверхности Si(100)2 1 до и после нанесения на нее пленок железа различной толщины (до 4 монослоев), показаны на рис. 1. Из спектров с помощью метода Ширли [14] исключен фон неупруго рассеянных электронов. Из приведенных данных видно, что с увеличением количества нанесенного металла интенсивность эмиссии 2p-электронов кремния падает, а форма линии спектров заметно меняется. В частности, обращает на себя внимание изменение отношения интенсивностей пиков 2p3/2 и 2p1/2 дублета кремния. Наиболее сильно этот эффект проявляется при максимальной дозе нанесенного железа, равной четырем монослоям. В левой части спектра (22-25 eV), где находятся окисные моды кремния, изменения выражены слабее, наблюдается лишь ослабление тонкой структуры и незначительное уменьшение интенсивности сигнала.

Результаты компьютерного разложения приведенных спектров на составляющие иллюстрирует рис. 2. Процедура разложения описана в работе [11]. Каждая мода анализируемого спектра описывалась спин-орбитальным дублетом с расщеплением 2p3/2- и 2p1/2-подуровней, равным 0.61 eV. Отношение интенсивностей линий этих подуровней принималось равным двум, а форма линии описывалась функцией Voigt, являющейся сверткой функции Лоренца, учитывающей время жизни дырки Рис. 2. Результаты разложения Si 2p-спектров рис. 1 на составляющие.

на основном уровне, и распределения Гаусса, описывающего фононное уширение спектра и энергетическое Рис. 1. Si 2p-спектры поверхности Si(100)2 1 после ее окисления и нанесения сверхтонких слоев железа. разрешение прибора. При разложении спектра на составЖурнал технической физики, 2006, том 76, вып. 138 М.В. Гомоюнова, Д.Е. Малыгин, И.И. Пронин ляющие оптимизировались энергетические сдвиги мод, Что же касается второй интерфейсной моды, то с их ширина и интенсивность. Для лучшего выявления ростом покрытия до 1.5 ML (и более) она не убывает, а изменений относительной интенсивности составляющих наоборот, возрастает (см. рис. 2). Аналогичная ситуация спектров на рис. 2 они нормированы на единицу.

наблюдалась и в случае системы Co/O/Si [11] и была Как видно из рис. 2, спектр окисленного кремния объяснена тем, что вместо данной моды возникала и состоит из объемной моды B чистого кремния, четырех усиливалась другая (мода твердого раствора Co-Si) окисленных мод (Si1+, Si2+, Si3+ и Si4+) и двух дополнис очень близким энергетическим сдвигом. Подобным же тельных мод и, без учета которых мы не могли, так образом и в нашем случае возникает новая мода при же как ив [11], достаточно хорошо воспроизвести форму энергии, близкой к наблюдаемой для моды, которая линии наблюдаемого спектра. Найденные нами значения также обусловлена формированием фазы твердого расэнергетических сдвигов всех окисных мод кремния, а твора Fe-Si.

также их ширины на полувысоте максимумов хорошо При дальнейшем увеличении степени покрытия согласуются с данными [15–18]. Что же касается мод до 2.5 монослоев объемная мода кремния B и интени, то сходные составляющие были найдены и в других фейсная мода продолжают убывать. В то же время работах последних лет [15–17]. Происхождение этих мод мода, а также, как уже отмечалось, мода возрастают.

авторы связывают с атомами кремния, локализованными в области интерфейса SiOx /Si. Таким образом, тонкий Что касается окисных мод, то в этой части спектра окисный слой, сформированный на поверхности крем- наблюдается некоторое перераспределение их интенсивния, имеет сложный состав и включает в себя четыре ностей, приводящее к исчезновению тонкой структуры.

окисные фазы. Атомы кремния в них имеют разную В частности, ослабляется мода Si1+, что, по-видимому, валентность (от +1 до +4), определяемую числом связано с формированием тройной интерфейсной фазы атомов кислорода, окружающих атом кремния. Толщина (мода ).

слоя SiOx, оцененная нами по затуханию объемного пика Наконец, при достижении степени покрытия, равкремния, составляет 3.

ной 4 монослоям, наблюдается небольшое уменьшение Прежде чем перейти к рассмотрению результатов интенсивности мод и. Оно может быть объяснено разложения спектров, полученных после нанесения жетем, что при такой дозе Fe процесс проникновения леза, отметим, что уже из качественного рассмотрения атомов адсорбата под окисный слой, подобно тому динамики изменения этих спектров можно предполокак это наблюдалось в случае системы Co/O/Si [11], жить, что наносимые на поверхность атомы металла замедляется, и часть их остается на поверхности обне оcтаются на ней, а проникают под окисный слой.

разца. Одновременно несколько возрастает интенсивДействительно, если бы они оставались на поверхности, ность окисной моды Si4+, что может быть связано с то моды чистого и окисленного кремния должны были некоторой перестройкой окисленной поверхности крембы одинаковым образом затухать с ростом степени покрытия. Между тем моды чистого кремния затухают ния при адсорбации на ней атомов железа. В пользу гораздо быстрей, чем окисные.

такого предположения свидетельствует то, что атомы Результаты разложения спектров подтверждают вы- кремния именно этой окисной моды локализованы в сказанное выше предположение. Как видно из рис. 2, основном в самом верхнем слое атомов окисленного нанесение на поверхность образца 0.5 ML железа привообразца [19].

дит не только к уменьшению моды B чистого кремния, В заключение подчеркнем, что из приведенных в но и к появлению в спектре новой составляющей с понастоящей работе данных следует, что атомы железа, ложительным энергетическим сдвигом, равным 0.49 eV.

наносимые при комнатной температуре на окисленную Для того чтобы нанесение атомов железа привело к поверхность Si(100)2 1, на начальной стадии процеспоявлению новой моды в спектре кремния, необходимо, са (при дозах металла, не превышающих примерно чтобы атомы адсорбата вступили во взаимодействие с трех монослоев) проникают под окисный слой. При атомами подложки. Это возможно, когда либо атомы дальшейнем росте степени покрытия эффект ослабляжелеза проникают под окисный слой, либо атомы кремется, и часть атомов Fe адсорбируется на поверхности.

ния выходят на поверхность. В последнем случае инТаким образом, полученные результаты свидетельсвутенсивность окисных мод должна была бы уменьшиться, ют об общности эффекта проникновения атомов двух что, как уже отмечалось выше, не происходит. Таким образом, появление моды свидетельсвует о проник- 3d-металлов (Co и Fe) под слой окисленного кремния, новении атомов железа под окисный слой. Эта мода, по- сформированный на поверхности Si(100)2 1.

видимому, связана с формированием нового интерфейса, Работа выполнена при поддержке Российского в состав которого входят также атомы кислорода. Такая фонда фундаментальных исследований (проект интерпретация прдтверждается тем, что подобная мода № 04-02-17651), Федерального агенства по науке никогда не наблюдалась в системе Fe/Si. Кроме того, об и инновациям РФ (госконтракт № 02.434.11.2027) интерфейсной природе данной моды говорит и убывание интенсивности, имевшейся на границе SiOx/Si моды. и Российско-германской лаборатории на BESSY.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Взаимодействие атомов железа с поверхностью окисленного кремния Список литературы [1] Gallego J.M., Miranda R. // J. Appl. Phys. 1991. Vol. 69. N 3.

P. 1377–1383.

[2] Alvarez J., Hinarejos J.J., Michel E.G. et al. // Phys. Rev.

B. 1992. Vol. 45. N 24. P. 14 042–14 051.

[3] Gallego J.M., Garcia J.M., Alvares J. et al. // Phys. Rev.

B. 1992. Vol. 46. N 20. P. 13 339–13 344.

[4] Konuma K., Vrijmoeth J., Zagwijn P.M. et al. // J. Appl. Phys.

1993. Vol. 73. N 3. P. 1104–1109.

[5] Chrost J., Hinarejos J.J., Segovia P. et al. // Surf. Sci. 1997.

Vol. 371. P. 297–306.

[6] Sasase M., Nakanoya T., Yamamoto H. et al. // Thin Solid Films. 2001. Vol. 401. P. 73–76.

[7] Tung T.R. // Appl. Phys. Lett. 1996. Vol. 68. N 24.

P. 3461–3463.

[8] Tung T.R. // Jpn. J. Appl. Phys. 1997. Vol. 36. N 3B.

P. 1650–1654.

[9] Hayashi Y., Yoshinaga M., Ikeda H. et al. // Surf. Sci. 1999.

Vol. 438. P. 116–122.

[10] Гомоюнова М.В., Пронин И.И., Галль Н.Р. и др. // Письма в ЖТФ. 2004. Т. 30. Вып. 20. С. 17–23.

[11] Гомоюнова М.В., Пронин И.И., Малыгин Д.Е. и др. // ФТТ 2005. Т. 47. № 10. С. 1901–1906.

[12] Гомоюнова М.В., Пронин И.И. // ЖТФ. 2004. Т. 74.

Вып. 10. С. 1–34.

[13] Ishizaka A., Shiraki Y. // J. Electrochim. Soc. 1986. Т. 133.

N4. С. 666–670.

[14] Shirley D.A. // Phys. Rev. B. 1972. Vol. 5. N 12. P. 4709–4714.

[15] Morgen P., Jensen T., Gundlach C. et al. // Comp. Mat. Sci.

2001. Vol. 21. P. 481–487.

[16] Pi T.-W., Wen J.-F., Ouyang C.-P. et al. // Surf. Sci. 2001.

Vol. 438. P. L333–L338.

[17] Jolly F., Rochet F., Dufour G. et al. // J. Non-Crystalline Solids.

2001. Vol. 280. P. 150–155.

[18] Himpsel F.J., McFeely F.R., Taleb-Ibrahimi A. et al. // Phys.

Rev. B. 1988. Vol. 38. N 9. P. 6084–6096.

[19] Oh J.H., Yeom H.W., Hagimoto Y. et al. // Phys. Rev. B. 2001.

Vol. 63. N 20. P. 205 310 (6).




© 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.