Влияние имплантации ионов О2+ на элементный и химический состав поверхности Si(111)

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

С использованием методов вторичной ионной масс-спектрометрии, спектроскопии упруго отраженных электронов и оже-электронной спектроскопии изучены элементный и химический составы поверхности, концентрационные профили распределения атомов по глубине кремния, имплантированного ионами О2+ с энергией Е0 = 1 кэВ при дозе 6 × 1016–2. Установлено, что в легированном ионами слое образуются оксиды и субоксиды Si (SiO2, Si2O и SiO0.5), а также содержатся несвязанные атомы О и Si. Постимплантационный отжиг при 850–900 К приводил к формированию слоя стехиометрического SiO2 толщиной ~25–30Å.

Полный текст

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-SiOх (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 = Dн = 6 × 1016 см–2, где Dн – 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 = Dн 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 SiОх (SiО + + SiО0.5) 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 СО(d) для SiО2 и SiОх 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 СО(d) для Si, имплантированного ионами О2+ с Е0 = 1 кэВ: 1 – общая концентрация; 2 – в оксиде SiО2; 3 – в соединении SiОх(SiО + SiО0.5)

 

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 SixOy. В этих слоях также содержатся несвязанные атомы Si и О, общая концентрация которых составляет 25–30 ат. %. Профили распределения оксидов SiO2 и SiOх 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.

×

Об авторах

Г. Х. Аллаярова

Каршинский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: allayarova5030@mail.ru
Узбекистан, Карши

Б. Е. Умирзаков

Ташкентский государственный технический университет

Email: allayarova5030@mail.ru
Узбекистан, Ташкент

А. К. Ташатов

Каршинский государственный университет

Email: allayarova5030@mail.ru
Узбекистан, Карши

Список литературы

  1. Демидов Е.С., Михайлов А.Н., Белов А.И., Карзанова М.В., Демидова Н.Е., Чигиринский Ю.И., Шушунов А.Н., Тетельбаум Д.И., Горшков О.Н., Европейцев Е.А. // ФТТ. 2011. Т. 53. Вып. 12. С. 2294. http://journals.ioffe.ru/articles/1645
  2. Громов Д.Г., Пятилова О.В., Булярский С.В., Белов А.Н., Раскин А.А. // ФТТ. 2013. Т. 55. Вып. 3. С. 562. http://journals.ioffe.ru/articles/973
  3. Hoppe K., Fahrner W.R., Fink D., Dhamodoran S., Pe- trov A., Chandra A., Saad A., Faupel F., Chak-ravadhanula V.S.K., Zaporotchenko V. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 2008. V. 266. № 8. P. 1642. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2007.12.069
  4. Rochet F., Dufour G., Roulet H., Pelloie B., Perriere J., Fogarassy E., Slaoui A., Froment M. // Phys. Rev. B. 1988. V. 37. № 11. P. 6468. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.37.6468
  5. Takeoka S., Fujii M., Hayashi S. // Phys. Rev. B. 2000. V. 62. № 24. P. 16820. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.62.16820
  6. Krishnan R., Xie Q., Kulik J., Wang X.D., Lu S., Molinari M., Gao Y., Krauss T.D., Fauchet P.M. // J. Appl. Phys. 2004.V. 96. № 1. P. 654. https://doi.org/10.1063/1.1751632
  7. Ундалов Ю.К., Теруков Е.И. // ФТП. 2015. Т. 49. Вып. 7. С. 887. http://journals.ioffe.ru/articles/41958
  8. Зинченко В.Ф., Лаврентьев К.В., Емелянов В.В., Емельянов В.В., Ватуев А.С. // ЖТФ. 2016. Т. 86. Вып. 2. С. 30.
  9. Гусев О.Б. // ФТП. 2013. Т. 47. Вып. 2. С. 147.
  10. Allayarova G.X. // J. Surf. Invest. X-Ray, Synchrotron Neutron Tech. 2022. V. 16. № 6. P. 1171. https://doi.org/10.1134/S1027451022060039
  11. Umirzakov B.E., Tashmukhamedova D.A., Gulyamova S.T., Allayarova G.X. // Tech. Phys. 2020. V. 65. № 5. P. 795. https://doi.org/10.1134/S1063784220050242
  12. Tashmukhamedova D.A., Yusupjanova M.B., Allayarova G.X., Umirzakov B.E. // Tech. Phys. 2020. V. 46. № 10. P. 972. https://link.springer.com/article/10.1134/S106378 5020100144
  13. Umirzakov B.E., Tashmukhamedova D.A., Ruzibae- va M.K., DjurabekovaF.G., Danaev S.B. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 2014. V. 326. P. 322.
  14. Umirzakov B.E., Tashmuxamedova D.A., Boltaev K.K., Dzhurakhalov A.A. // Mater. Sci. Engin. 2003. V. 101. P. 124. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168583X14001670
  15. Tashmukhamedova D.A., Yusupjanova M., Allayaro- va G.Kh., Umirzakov B.E. // Tech. Phys. Lett. 2020. V. 46. № 10. P. 972. https://doi.org/10.1134/S1063785020100144
  16. Соболев Н.А., Калядин А.Е., Штельмах К.Ф., Шек Е.И. // ФТП. 2021. Т. 55. Вып. 10. С. 928. https://doi.org/10.21883/FTP.2021.10.51446.9694
  17. Stepanov A.L., Nuzhdin V.I., Valeev V.F., Vorobev V.V., Kavetskyy T.S., Osin Y.N. // Rev. Adv. Mater. Sci. 2015. V. 40. P. 155.
  18. Christian R., Frank F., Ralph M. // J. Appl. Phys. 2015. V. 118. P. 205701. https://doi.org/10.1063/1.4936223
  19. Умирзаков Б.Е., Ташмухамедова Д.А. // Журн. технической физики. 2013. Т. 83. Вып. 6. C. 66. https://doi.org/10.52304/.v22i3.153

Дополнительные файлы

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

Скачать (107KB)
3. 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

Скачать (115KB)
4. 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

Скачать (75KB)
5. Рис. 4. Зависимости концентрации атомов кислорода СО(d) для Si, имплантированного ионами О2+ с Е0 = 1 кэВ: 1 – общая концентрация; 2 – в оксиде SiО2; 3 – в соединении SiОх(SiО + SiО0.5)

Скачать (49KB)

© Российская академия наук, 2024

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».