Формирование структур на реконструированной поверхности кремния Грузнев, Димитрий Вячеславович

Введение к работе

Актуальность работы В современной электронике существует отчетливая тенденция к миниатюризации элементов полупроводниковых интегральных схем. Она обусловлена потребностями к удешевлению производства, снижению энергопотребления устройств и т.п. С уменьшением размеров элементов все большую роль начинает играть структура поверхности подложки: увеличивается чувствительность процессов роста эпитаксиальных слоев к структуре поверхности на атомном уровне, ее химическому составу и т.п. Кроме того, постепенный переход к нано- электронике, использующей свойства квантово-размерных систем, диктует потребность в принципиально новых методах синтеза функциональных элементов. Среди различных методов формирования структур на поверхности твердого тела [1], метод самосборки (или самоорганизации) структур на поверхности твердого тела становится все более актуальным [2], так как самоорганизованный рост позволяет получать упорядоченные массивы идентичных нанообъектов на значительных площадях. При применении процессов самосборки для создания наноструктур на поверхностях полупроводников, роль атомной структуры поверхности становится критической.

Одним из свойств поверхности ковалентных кристаллов, таких как кремний, является их способность к реконструкции, при которой структура поверхности изменяется в широких пределах при осаждении субмо- нослойных покрытий адсорбата. [3]. Таких структур - атомных реконструкций - на подложках кремния различных ориентаций обнаружено и исследовано уже более 300 [4]. Подобная модификация поверхности изменяет многие из ее свойств и может быть использована в качестве «параметра» для управления процессами самоорганизованного роста наноструктур. Следует отметить, что речь идет не о буферных слоях, которые фактически заменяют материал подложки и представляют самостоятельную сложную технологическую задачу, зачастую вынуждая выращивать многослойные буферные ^«сандвичи^», градиентные слои и т.п. [5]. Модификация поверхности субмонослойными реконструкциями призвана обеспечить процесс самосборки, сохранив при этом такие характеристики монокристаллической подложки, как низкая шероховатость, предсказуемые направления атомных ступеней и интервал между ними, высокое кристаллическое совершенство поверхности, низкая плотность дефектов и др.

Одним из примеров самоорганизованного формирования совершенных массивов нанокластеров с использованием поверхностной реконструкции в качестве шаблона является формирование «магических» кластеров на атомарно чистой поверхности Si(111) с реконструкцией 7x7 [6]. Замена структуры поверхности на реконструкцию типа «адсорбат/подложка» в некоторых случаях также приводит к формированию на ней массивов нанообъектов (кластеры [7], нанопроволоки [8], нанокольца [9] и др.) Ввиду важности материалов пониженной размерности как для фундаментальной физики, так и с технологической точки зрения, а также сложности их получения, такой подход представляется перспективным и актуальным. Тем не менее, систематических исследований в данном направлении, позволивших бы разработать универсальный метод создания наноструктур с заданными характеристиками, недостаточно.

Особый интерес представляет возможность создания на поверхности кремния в условиях сверхвысокого вакуума молекулярных структур для интеграции хорошо развитых кремниевых технологий с бурно развивающейся в последние годы молекулярной электроникой. В основе молекулярной электроники лежит концепция использования отдельных молекул и молекулярных комплексов в качестве готовых логических и функциональных элементов [10]. Адсорбция большинства органических молекул на поверхность кремния, которая характеризуется большим количеством химически активных ненасыщенных связей, зачастую приводит к диссоциации молекул и образованию плохоупорядоченных слоев [11]. Так как модификация поверхности Si(111) реконструкциями, помимо прочего, приводит с снижению плотности оборванных связей, это можно использовать для формирования совершенных молекулярных слоев.

Наконец, поверхностные реконструкции как таковые представляют определенный самостоятельный интерес. Механизмы образования протяженных двумерных структур со сложной внутренней организацией до сих пор является предметом дискуссии. Одним из интересных объектов этого направления является реконструкция Si(111)-a-\/3 x\/3-Au. Она обладает необычным свойством — высокой плотностью доменных границ (ДГ) которые, при определенных условиях, могут организовываться в различные упорядоченные (ДГ-кристалл) либо неупорядоченные (ДГ- стекло) структуры [12]. Это свойство делает ее уникальным объектом исследований явления самосборки на атомном уровне. В данной работе рассматриваются вопросы формирования «искусственных» поверхностных реконструкций, целенаправленного изменения структуры поверхности и, как следствие, ее свойств.

Все вышесказанное определило актуальность выбранного направления исследований — формирование и исследование наноструктур на реконструированной поверхности кремния.

Целью диссертационной работы ставится развитие методов контролируемого формирования нанообъектов на поверхности кремния, основным из которых является использование поверхностных реконструкций «адсорбат/подложка» для модификации свойств поверхности.

Для достижения цели работы ставятся следующие задачи:

1. Провести экспериментальные исследования формирования основных типов нанообъектов (пленки (2D), проволоки (1 D) и наноостровки (0 D)) на поверхностях кремния со сформированными поверхностными реконструкциями. Качественно показать модифицирующее влияние атомных реконструкций на процессы роста наноструктур. Количественно оценить диффузионные параметры для ряда адсорбатов на реконструированных поверхностях Si(111).

2. Изучить структурные и электрические свойства полученных объектов в сравнение с соответствующими «чистыми», без внедренных поверхностных реконструкций, системами.

3. Выяснить характер миграции отдельных адсорбированных атомов и органических молекул по реконструкциям кремния с различными потенциальными рельефами поверхности. Показать формирование атомных кластеров и молекулярных комплексов в рельефе поверхностных реконструкций.

4. Выяснить механизм вытеснения антифазных доменных границ с поверхности Au/Si(111) двумерным адатомным газом In. Показать влияние доменной структуры на электронные и электрические свойства поверхности.

5. Исследовать модификацию структуры поверхности Au/Si(111) адсорбцией Al. Исследовать структурно-фазовые превращения в этой системе и процесс организации доменной структуры реконструкции Si (111)-а- V3 x\/3-Au в периодические решетки. Установить атомную структуру полученных модифицированных реконструкций.

6. Установить влияние периода решетки подложки на реконструкцию поверхности.

Научная новизна работы В работе получены новые экспериментальные результаты, основными из которых являются следующие:

1. Экспериментально показано изменение режимов роста ряда металлов (In, Au, Cu) при создании в границе раздела металл/кремний поверхностной реконструкции Si(100)c(4x 12)-Al. Используя формализм кинетической теории зародышеобразования оценены параметры диффузии атомов по этой поверхности.

6. 1. Определены закономерности захвата нейтральных атомов Ge потенциальным бассейном в элементарной ячейке квазипериодической реконструкции Si(111)"5x5"-Cu. Определен диффузионный барьер для атомов Ge, выявлено формирование димеров Ge с периодами \/3a, 2a и л/7 a, а также атомных кластеров до пентамеров включительно.

   2. Установлено, что адсорбция In на поверхностную реконструкцию Si(111)-a-\/3 x\/3-Au снижает напряжение поверхности, вследствие чего сильно уменьшается концентрация линейных дефектов поверхности (антифазных доменных границ), а размеры доменов структуры л/3 x\/3 увеличиваются с ^100А до типичных размеров террас подложки кремния (0,1-0,5 мкм). Предложена структурная модель поверхности Si(111)-h-\/3x\/3-(Au,In), показано влияние доменных границ исходной реконструкции на свойства поверхности.

   3. Выявлено существование новых поверхностных реконструкций

   x3\/3-(Au,Al) и 2x2-(Au,Al). Установлены закономерности их формирования и атомное устройство. Показано, что данные реконструкции можно рассматривать как антифазные доменные границы поверхности Au/Si( 111), упорядоченные в периодические структуры.

   6. 4. Обнаружено, что незначительные изменения периода кристаллической решетки приповерхностной области Si(111) приводят к существенной перестройке атомной структуры реконструкции Si(111)4x 1- In c образованием новой металлической реконструкции 7x3-In. Подобные же модификации в системе Al/Si(111) не приводят к формированию новых структур, но изменяют относительные температурные стабильности существующих.

      Практическая ценность работы состоит в том, что рассмотренные способы формирования наноструктур являются основой для разработки полномасштабных методов контролируемого создания функциональных материалов. В данной работе впервые получены структуры, свойства которых в значительной степени отличаются от свойств структур, сфабрикованных на немодифицированных поверхностях. Так, получены массивы нанопроволок Cu на поверхности Si(111), терминированной двумерным силицидом Cu₂Si. При выборе соответствующей морфологии образца возможно формирование нанопроволок Cu в виде петель, колец и т.п. Такая система обладает высокой анизотропией электропроводности и низким удельным сопротивлением. Пленки Au, сформированные на

      поверхностной реконструкции Si(111)"5x5"-Cu, демонстрируют лучшую морфологию поверхности за счет подавления формирования объемного силицида и, как следствие, лучшие электрофизические характеристики. Эти системы имеют практическую ценность и могут быть использованы в будущем при разработке токопроводящих элементов нанометрового масштаба.

      Предложен способ увеличения температурной стабильности упорядоченных массивов атомных кластеров Al на поверхности Si(111)7x7. Учитывая, что данная структура обладает ярко выраженной каталитической активностью, увеличение ее стабильности также может найти практическое применение.

      Основные защищаемые положения

      6. 4. 1. Квазипериодическая реконструкция Si(111)"5x5"-Cu эффективно блокирует формирование силицида в системах Cu/Si( 111) и Au/Si( 111). Этот факт вместе с увеличением диффузионной длины атомов Cu по поверхности приводит к формированию нанопроволок Cu, декорирующих моноатомные ступени подложки. Массив таких проволок демонстрирует сильную анизотропию электропроводности. В системе Au/Si( 111) формируется атомно-гладкая пленка Au. Улучшение морфологии поверхности по сравнению с пленкой, сформированной на атомарно чистой поверхности Si (111), приводит к возрастанию поверхностной проводимости в три раза.

            2. Реконструкция Si(111)"5x5"-Cu содержит потенциальный бассейн в центре шестиугольной ячейки, который характеризуется высокими барьерами на границах ячейки и мелким рельефом дна. Минимумы рельефа приходятся на позиции S_u (атом Cu, замещающий Si), диффузионный барьер между позициями составляет 0,29±0,03эВ. При комнатной температуре бассейны могут захватывать нейтральные атомы адсорбата (Ge, Au, In) и органические молекулы (Ci₅H₈N₂O₂), формируя атомные и молекулярные кластеры.

            3. Внедрение подвижных атомов In в решетку поверхностной реконструкции Si(111)-^\/3-Au снижает напряжение поверхности с +204 мэВ/А² до +39мэВ/А², в результате чего происходит вытеснение линейных дефектов - антифазных доменных границ - с образованием гомогенной поверхности V3 x\/3.

            4. Изменение периода кристаллической решетки подложки на 0,07% созданием в приповерхностной области Si(111) слоя Ge_xSi(_1-x) вызывает фазовый переход 4x1-In ^ 7x3-In. Реконструкция 7x3-In не

            формируется ни в одной из «чистых» систем (In/Si, In/Ge) и включает в себя 1 МС In и 0,65±0,04МС атомов подложки.

            5. Замена части атомов Si в приповерхностной области Si(111) на атомы Ge изменяет наиболее предпочтительную позицию для адсорбированного атома Al с адатомной на замещающую. Это приводит к изменению относительных температурных стабильностей реконструкций Si(111)\/3 хл/3-Al и массива магических кластеров Al, а также делает возможным обратный фазовый переход «л/3-Al — кластеры Al». (В исходной системе Al/Si(111), без атомов Ge, переход «кластеры —^ л/3-Al» является необратимым.)

            Научная обоснованность и достоверность представленных в диссертационной работе экспериментальных результатов определяется корректностью постановки решаемых задач и их физической обоснованностью, применением различных взаимодополняющих современных методов исследования поверхности, а также соответствием полученных результатов с известными экспериментальными и теоретическими данными.

            Апробация результатов работы Основные результаты работы докладывались на международных, российских и региональных конференциях, в том числе:

            I Азиатско-Тихоокеанской конференции по фундаментальным проблемам опто- и микроэлектроники (г. Владивосток, Россия, 11-15 сентября 2000 г.); X международной конференции по твердотельным тонким пленкам и поверхностям ICSFS-10 (г. Принстон, США, 9-13 июля 2000 г.); VIII международной конференции по тонким пленкам, поверхностям и границам раздела ICFSI-8 (г. Саппоро, Япония, июнь 2001 г.); XI международной конференции по твердотельным тонким пленкам и поверхностям ICSFS-11 (г. Марсель, Франция, 8-12 июля 2002 г.); IV международном симпозиуме по управлению границами раздела полупроводников ISCSI-4 (г. Каруизава, Япония, 21-25 октября 2002 г.); VII международной конференции по атомарно-контролируемым поверхностям, границам раздела и наноструктурам ACSIN-7 (г. Нара, Япония, 17-20 ноября 2003 г.); IV, VI, VIII Японско-Российском и V, VII, IX Российско-Японском семинарах по поверхностям полупроводников JRSSS (2000-2010 гг.); 48-ом и 49-ом весенних и 62-ом, 63-ем и 64-м осенних заседаниях Японского общества по прикладной физике (Oyo Butsuri Gakkai) (Япония, 20012003 гг.); IX,X,XI и XII Конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов (пДММ-2005, ПДММ-2006, ПДММ-2007 и ПДММ-2009) (г. Владивосток, Россия); VIII Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектро- нике (г. Санкт-Петербург, Россия, 4-8 декабря 2006 г.); «Физика и химия наноматериалов» (г. Томск, Россия, 13-16 декабря 2005 г.); XII Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых учёных ВНКСФ-12 (г. Новосибирск, Россия, 23-29 марта 2006 г.); VIII Всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (г. Санкт-Петербург, Россия, 4-8 декабря 2006 г.); XVI международном симпозиуме «Наноструктуры: физика и технология» (г. Владивосток, Россия, 14-18 июля 2008 г.); Международной школе-конференции молодых ученых XIV международном симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника» (г. Нижний Новгород, Россия, 15-19 марта 2010 г.); IX международной конференции «Методологические аспекты сканирующей зондовой микроскопии» (г. Минск, Россия, 12-15 октября 2010 г.); XV международной конференции по твердотельным тонким пленкам и поверхностям ICSFS-15 (г. Пекин, Китай, 5-10 октября 2010 г.); XV международном симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника» (г. Нижний Новгород, Россия, 14-18 марта 2011 г.);

            Публикации По теме диссертации опубликовано 26 статей в рецензируемых научных журналах, входящих в список ВАК, и один патент РФ.

            Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 235 страниц, включая 115 рисунков и список литературы из 372 наименований.

            Похожие диссертации на Формирование структур на реконструированной поверхности кремния

            

            Структура и морфология поверхности кремния(III) при адсорбции кислорода и золотаКосолобов Сергей Сергеевич

            Поведение никеля на атомарно-чистых поверхностях кремния и индуцируемые им структурыТийс, Сергей Александрович

            

            Процессы формирования пьезокерамических микроструктур на поверхности монокристаллического кремнияДайнеко, Андрей Владимирович

            Процессы формирования пьезокерамических микроструктур на поверхности монокристаллического кремнияДайнеко Андрей Владимирович

            Формирование поверхности при молекулярно-лучевом эпитаксии германия, кремния и их твердых растворахМарков, Владимир Александрович

            

            Формирование поверхности Si(111) при молекулярно-лучевой эпитаксии кремния и адсорбции бораБалашев Вячеслав Владимирович

            

            Формирование огранки и кристаллической структуры кремния, выращенного методом бестигельной зонной плавкиФрицлер, Константин Бернгардович

            Исследование формирования, структуры и свойств поверхностных фаз элементов III и V групп на кремнииРыжков, Сергей Витальевич

            Роль структуры поверхности в формировании слоев GaAs и AlGaAs методом молекулярно-лучевой эпитаксииПреображенский, Валерий Владимирович

            

            Кинетические модели формирования пространственно-упорядоченных структур на поверхности твердого телаДубровский Владимир Германович