Effect of О₂⁺ Ion Implantation on the Elemental and Chemical Composition of the Si(111) Surface

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Тонкие пленки SiO₂ и структуры на их основе широко используются при создании МОП–транзисторов (МОК – металл–оксид–полупроводник), дисплеев, диодов и интегральных схем, светоизлучающих структур, солнечных элементов. В настоящее время хорошо изучены состав, электронные и оптические свойства пленок SiO₂ и субоксидов Si, выращенных на поверхности Si различными методами [1–11]. В частности, в [7] показано, что в матрице SiO₂ гидрированного аморфного субоксида Si появляются избыточные атомы Si и образуются нанокластеры Si. В кластерах с размерами меньше 50–100 нм проявляются квантово-размерные эффекты [7]. Начиная с размера кластера 10 нм постоянная кристаллической решетки кремния увеличивается [8]. Как показано в [9], при увеличении толщины пленки до 100 нм происходит ее самопроизвольная кристаллизация. Наличие нанокластеров кремния в а-SiO_х (0 < x < 2) обеспечивает излучение видимого и инфракрасного света при комнатной температуре [10].

В последнее годы метод низкоэнергитеческой имплантации ионов широко используют для получения наноразмерных структур на поверхностных слоях материалов различной природы [11, 12]. В частности, на основе Si получены и изучены электронные и оптические свойства наноразмерных фаз и пленок силицидов металов и SiO₂ [13–18]. Однако до настоящего времени практически не были исследованы изменение состава и структуры поверхностных слоев Si как в процессе имплантации ионов O₂⁺, так и последующего отжига. Настоящая работа посвящена решению этой очень актуальной проблемы физической электроники.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В качестве объекта исследования использованы монокристаллические образцы Si(111). Эксперименты проводили в сверхвысоковакуумном (P ≈ 10^–7 Па) приборе, состоящем из двух камер и собранном на основе установки УСУ [19]. В первой камере проводили термический отжиг и ионную бомбардировку Si, а во второй камере исследовали состав, структуру и свойства образцов с использованием методов оже-электронной спектроскопии, спектроскопии упруго отраженных медленных электронов. На рис. 1 приведена конструкция пушки ионов O₂⁺. Кислород напускали в сверхвысоковакуумный прибор через специальный натекатель. Ионизацию кислорода осуществляли бомбардировкой ионами кислорода. Источник ионов помещали в магнитное поле соленоида. Он состоял из нити накала и анода. Источник ионов работал при давлении газов 10^–2 Па, а в измерительной части прибора давление составляло 10^–6 Па. Для ускорения электронов между нитью накала и анодом подавали напряжение порядка 50 В. Плотность тока ионов на мишень составляла (1–10) × 10^–6 А∙см^–2 [19]. Масс-спектры записывали при бомбардировке образца ионами Сs⁺ с Е₀ = 6.7 кэВ на стандартной установке типа МИ-1320. Профили распределения атомов по глубине образцов исследовали методом оже-электронной спектроскопии в сочетании с травлением поверхности ионами Ar⁺ с Е₀ = 1 кэВ под углом 15° относительно поверхности. Перед ионной имплантации образцы Si(111) обезгаживали при 1200 К в течение 4–5 ч и кратковременном отжиге при 1500 К в сочетании с мягким травлением поверхности ионами Ar⁺.

Рис. 1. Конструкция ионной пушки для создания пучка ионов газов: 1 – нить накала; 2 – анод; 3 – система диафрагм; 4–6 – фокусирующие и ускоряющие электроды

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 2 приведен масс-спектр отрицательных ионов для Si, имплантированного ионами O₂⁺ с Е₀ = 1 кэВ при дозе облучения D = D_н = 6 × 10¹⁶ см^–2, где D_н – доза насыщения, при которой дальнейшее ее увеличение не приводит к изменению состава ионно-имплантированных слоев. Видно, что в спектре содержатся интенсивные пики SiO₂, субоксидов Si (SiO и Si₂O) и несвязанных атомов Si и О. Наряду с этими пиками обнаруживаются малоинтенсивные пики различных примесных атомов, общая концентрация которых не превышает 0.1 ат. %. Отжиг этой системы приводит к изменению содержания оксидов, и при ~900 К формируется нанопленка SiO₂ толщиной ~25–30 Ǻ (рис. 3). Значение энергии связи остовного уровня L₂₃ кремния очень чувствительно к изменению состава в поверхностном слое Si. Образование новых соединений или их разложение приводит к изменению формы и положения этого пика. Из рис. 3 видно, что при имплантации ионов O₂⁺ в Si с Е₀ = 1 кэВ при дозе D = D_н в спектре упруго отраженных медленных электронов интенсивность пика L₂₃ кремния резко уменьшается и появляются новые интенсивные пики при энергии 104, 105.5 и 107 эВ (рис. 3, кривая 2). Появление этих пиков объясняется наличием нестехиометрических оксидов SiO, Si₂O и SiO₂ соответственно. После отжига ионно-имплантированного образца при 900 К пики при энергии 104 и 105.5 эВ полностью исчезают, а интенсивность пика при Е ≈ 107 эВ резко увеличивается. На основе анализа данных методов оже-электронной спектроскопии и вторичной ионной масс-спектрометрии установлено, что на поверхности формируется однородная пленка SiO₂ толщиной 25–30 Ǻ (эти данные на рисунке не показаны).

Рис. 2. Масс-спектр Si, имплантированного ионами О₂⁺ с Е₀ = 1 кэВ при D = 6 × 10¹⁶ см^–2, измеренный при бомбардировке ионами Сs⁺ с Е₀ = 6.7 кэВ

Рис. 3. Спектры упруго отраженных электронов L₂₃VV Si: 1 – чистого; 2 – после имплантации ионов О₂⁺ с Е₀ = 1 кэВ и D = 6 × 10¹⁶ см^–2, 3 – после отжига при 900 К в течение 30 мин

На рис. 4 приведены изменения по глубине общей концентрации О и концентрации атомов О, образующих связи типа SiО₂ и SiО_х (SiО + + SiО_0.5) для Si, имплантированного ионами O₂⁺ с Е₀ = 1 кэВ при D = 6 × 10¹⁶ см^–2. Максимальная концентрация О, содержащегося на поверхности ионно-имплантированного Si, принята за 100 ат. %. Видно, что кривые С_О(d) для SiО₂ и SiО_х проходят через максимумы. Общая концентрация О до глубины 20–25 Å заметно изменяется, из них до 70–75 ат. % образуют химическую связь с атомами Si. После отжига при 900 К все атомы О и Si образуют химическую связь и формируются пленки SiО₂ с достаточно хорошей стехиометрией.

Рис. 4. Зависимости концентрации атомов кислорода С_О(d) для Si, имплантированного ионами О₂⁺ с Е₀ = 1 кэВ: 1 – общая концентрация; 2 – в оксиде SiО₂; 3 – в соединении SiО_х(SiО + SiО_0.5)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Показано, что при имплантации ионов O₂⁺ с Е₀ = 1 кэВ и дозе D = 6 ×10¹⁶ см^–2 в приповерхностном слое образуются нестехиометрические оксиды типа Si_xO_y. В этих слоях также содержатся несвязанные атомы Si и О, общая концентрация которых составляет 25–30 ат. %. Профили распределения оксидов SiO₂ и SiO_х по глубине проходят через максимум. Отжиг при 900 К приводит к формированию однородную пленку SiO₂ толщиной ~25–30 Å.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Данная работа финансировалась за счет средств бюджета Ташкентского государственного технического университета, Ташкент, Узбекистан. Никаких дополнительных грантов на проведение или руководство этим конкретным исследованием получено не было.

Конфликт интересов. Авторы данной работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

About the authors

G. Kh. Allayarova

Author for correspondence.
Email: allayarova5030@mail.ru
Uzbekistan, Karshi

B. E. Umirzakov

Email: allayarova5030@mail.ru
Uzbekistan, Таshkent

A. K. Tashatov

Email: allayarova5030@mail.ru
Uzbekistan, Karshi

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. The design of an ion gun for creating a beam of gas ions: 1 – filament; 2 – anode; 3 – diaphragm system; 4-6 – focusing and accelerating electrodes

Download (107KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. The mass spectrum of Si implanted with O2+ ions with E0 = 1 keV at D = 6 × 1016 cm–2, measured by bombardment with Cs+ ions with E0 = 6.7 keV

Download (115KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. Spectra of elastically reflected L23VV Si electrons: 1 – pure; 2 – after implantation of O2+ ions with E0 = 1 keV and D = 6 × 1016 cm–2, 3 – after annealing at 900 K for 30 min

Download (75KB)

Indexing metadata

5. Fig. 4. Dependences of the concentration of oxygen atoms CO(d) for Si implanted with O2+ ions with E0 = 1 keV: 1 – total concentration; 2 – in SiO2 oxide; 3 – in the compound SiOx(SiO + SiO0.5)

Download (49KB)

Indexing metadata