Введение к работе
Актуальность темы
Рост и свойства нанослоев или сверхтонких, толщиной <1 нм, пленок немагнитных и магнитных переходных металлов на атомарно-чистой поверхности кремни с резкой границей раздела имеют фундаментальное и прикладное значение [1] В таких тонких слоях можно ожидать формирование новых тонкопленочных нанофаз и новые свойства этих пленок вследствие квантоворазмерных эффектов и модификации их электронной структуры подложкой С другой стороны, гетероструктуры на основе металлов и силицидов на кремнии расширяют функциональные возможности кремниевой микроэлектроники Они находят применение в быстродействующих КМОП-интегральных схемах, в быстродействующих и перестраиваемых по длине волны ИК - фотоприемниках, для построения спин-управляемых транзисторов, наноэлектронных схем, а также терабитовых систем памяти с произвольной выборкой Наноструктуры на основе силицидов представляют, кроме того, интерес для приборов оптоэлектроники (светодиоды и т д) и термоэлектроники (термоэлектрические преобразователи)
Одним из путей создания наногетероструктур металл-полупроводник является молекулярно-лучевой рост Начальная стадия этого роста - это формирование затравочного слоя металла или силицида А начальная стадия формирования этого затравочного слоя - это осаждение металла на подложку кремния при низкой (обычно вблизи комнатной) или более высокой температуре Однако в процессе этого роста переходной металл перемешивается с кремнием, что влияет на структуру и состав затравочного слоя и приповерхностной области подложки Перемешивание происходит в результате реактивной диффузии и внедрения (имплантации) атомов металла в подложку Активация данных процессов происходит благодаря химическому взаимодействию атомов с подложкой кремния и их достаточно высокой кинетической энергии для проникновения внутрь приповерхностного слоя подложки кремния Тем не менее, уменьшение перемешивания и последующей реакции силицидообразования возможно, если модифицировать химическое состояние поверхности подложки, повысив тем самым барьер для диффузии и внедрения, и обеспечить низкую кинетическую энергию атомов в пучке Реализовать данные требования можно, если осаждать переходной металл при пониженной температуре металла в источнике или
сформировать на подложке соответствующую поверхностную фазу, которая создает барьер, препятствующий проникновению атомов металла в подложку
Ранее разными группами исследователей удавалось получить послойный рост переходных металлов на силицидных прослойках или на модифицированной водородом или бором поверхности кремния Однако в отсутствие силицидной или другой прослойки такой рост, с сохранением резкой границы раздела, получен не был, не была детально исследована электронная структура в монослойных покрытиях и субнанометровых пленках переходных металлов на атомарно-чистой поверхности кремния и исследована их проводимость в процессе роста
Цель работы
Целью настоящей диссертационной работы было 1) получение послойного роста Сг, Со и Fe на атомарно-чистой поверхности Si(lll) и 2) исследование механизма формирования, состава и электронной структуры границы раздела, а также электрических транспортных свойств полученных двумерных фаз и наноелоев
Основные задачу поставленные в данной работе исследование влияния параметров осаждения (температура потока, степень непрерывности потока), а также состояния поверхности (рельеф, затравочные центры, силицидная прослойка) на формирование границы раздела переходной металл - атомарно-чистая поверхность кремния, определение условий осаждения для обеспечения послойного роста на чистой поверхности кремния, исследование пространственной электронной структуры и проводимости двумерных покрытий и сверхтонких пленок переходных металлов на кремнии в процессе их роста
Методы исследования. Все эксперименты проводились "m-situ" в
сверхвысоковакуумной камере с базовым давлением 10 9 Торр Для выполнения работы использовали методы электронной Оже-спектроскопии (ЭОС), спектроскопии характеристических потерь энергии электронами (СХПЭЭ), дифракции медленных электронов (ДМЭ) и четырехзондовые измерения проводимости
Научная новизна
1 На основе исследования механизма роста в зависимости от условий осаждения
(температура потока, степень непрерывности потка) впервые был разработан метод
послойного роста Сг, Со и Fe на Si(l 11) для получения резкой границы раздела между
переходным металлом и подложкой кремния Показано, что уменьшение кинетической
энергии атомов в пучке позволяет в значительной степени уменьшить внедрение и силицидообразование и тем самым реализовать рост практически чистого переходного металла на кремнии Впервые была получена пленка переходного (Сг) и магнитного переходного металла (Fe, Со), а также его силицида (FeSi) на кремнии без прослойки и с толщиной, изменяющейся от монослоя до десятка монослоев
Впервые были исследованы электронная плотность пленок Сг, Со и Fe субнанометровых толщин при их послойном росте на кремнии Показано, что в диапазоне толщин 0-2 А в пленке Со на Si(lll) и подповерхностной области подложки Si(lll), имеет место уменьшение и соответственно увеличение концентрации электронов, связанное с их перераспределением на границе раздела
Впервые была исследована проводимость пленок Со субнанометровых толщин при их послойном росте на кремнии Обнаружен квантово-размерный тип поведения зависимости проводимости от толщины после 1-го монослоя
Было впервые показано, что отклонение от послойного механизма роста пленки Со на Si(lll) при модификации поверхности Si(lll) проявляется как в зависимости электронной плотности в системе пленка-подложка, так и в зависимости ее проводимости от толщины
Практическая ценность
Полученные в настоящей работе экспериментальные результаты дают сведения об оптимальных условиях формирования резкой границы раздела в нанослоях переходных металлов на Si(l 11) Найдены параметры импульсного источника, условия осаждения и состояние поверхности, определяющие последующий механизм роста Сг, Со и Fe на Si(lll) Разработанная методика выращивания сверхтонких нанослоев переходных металлов на кремнии может быть положена в основу технологии создания приборов наноэлектроники
На защиту выносятся следующие научные положения
Уменьшение кинетической энергии пучка способствует послойному росту Сг, Со и Fe на Si(l 11) и формированию резкой границы раздела, а увеличение -формированию силицида
Обнаружено перераспределение плотности валентных электронов из пленки Со в подложку Si(lll) в процессе ее послойного роста в приповерхностной области подложки наблюдалась повышенная концентрация валентных
электронов по сравнению с объемным Si, а в пленке Со, толщиной 2-3 А, -пониженная концентрация по сравнению с объемным Со
Изменение состояния поверхности подложки изменяет характер распределения электронной плотности на границе раздела, механизм роста Со на Si(l 11) и зависимость сопротивления от толщины, которая коррелирует с механизмом роста
Зависимость удельного сопротивления от толщины в случае послойного роста имеет экпоненциально-подобный спадающий характер в области толщин равных одной - двум длинам волны Де Бройля
Личный вклад автора в диссертационную работу заключается в активном участии в постановке задач и определении способов их решения, в организации и проведении экспериментов, в анализе и интерпретации полученных результатов
Работы проводились в тесном взаимодействии с соавторами, которые не возражают против использования в диссертации полученных совместно результатов
Публикации Основные результаты, вошедшие в диссертацию, изложены в 7-й статьях в научных журналах и сборниках, а также докладывались и обсуждались на II Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Высокие интеллектуальные технологии развития профессионального образования и науки" 25-28 апреля 2000 г г Владивосток ВГУЭС, III Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Научный потенциал вузов - на развитие производительных сил приморского края" 3-13 апреля 2001 г г Владивосток ВГУЭС, осенней школе "Diffusion and Reactions at Solid-Solid interfaces" г Халле, Германия 2001 г , III Региональной научной конференции "Физика фундаментальные и прикладные исследования, образование" 27-29 мая 2002 г Благовещенск АмГУ, VI Региональной конференции студентов аспирантов и молодых ученых по физике полупроводников, диэлектриков и магнитных материалов 2-3 декабря 2002 г Владивосток ИАПУ ДВО РАН, The Fifth Russia-Japan Seminar on Semiconductor Surfaces, September 15-20, 2002, Vladivostok, Russia, V Региональной научной конференции "Физика фундаментальные и прикладные исследования, образование" 2-4 октября 2003 г Владивосток ИАПУ ДВО РАН, VIII Региональная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводниковых,
диэлектрических и магнитных материалов "ПДММ-2004", 17-19 мая, 2004, VI
Международная очно-заочная научно-практическая конференция студентов,
аспирантов и молодых исследователей "Интеллектуальный потенциал вузов - на развитие Дальневосточного региона России", 19-20 мая, 2004, The Sixth Japan-Russia Seminar on Semiconductor Surfaces "JRSSS-6", October 10-17, 2004, Региональная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по физике, 18-19 ноября, 2004 Владивосток, ISSS-4, November 14-17, 2005, Saitama, Japan, Региональная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по физике, 13-15 декабря, 2005 Владивосток
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы Общий объем диссертации составляет 110 страниц, включает 39 рисунков, 3 таблицы и список литературы из 116 наименований
