錳的硅化物薄膜及納米結(jié)構(gòu)在硅表面的外延生長.pdf

1、金屬硅化物具有低電阻率和高溫穩(wěn)定性,其外延生長與傳統(tǒng)的硅基集成電路(IC)工藝兼容,有望用作集成電路器件中的歐姆接觸或肖特基勢壘接觸、低阻的互連線及有源電子器件等。金屬硅化物在IC中的應(yīng)用對(duì)減小柵極和內(nèi)部互連線級(jí)的RC延遲有實(shí)際意義。與其他金屬硅化物相比,錳的硅化物具有更多復(fù)雜的化學(xué)組成,如Mn6Si1、Mn9Si2、Mn3Si、MnsSi2、MnsSi3、MnSi以及非化學(xué)配比的MnSi～1.7。MnsSi3和MnSi均具有金屬性,有

2、望用作低阻的互連線等；MnsSi3具有反鐵磁性,MnSi是B20型的金屬間化合物,薄膜相的MnSi是至今發(fā)現(xiàn)的少數(shù)幾種具有鐵磁性的硅化物材料之一,且可以外延生長在Si襯底上,是電子自旋注入的很好的候選者:MnSi～1.7是帶寬約為0.7eV的直接帶隙半導(dǎo)體材料,是一種很有應(yīng)用前景的高溫?zé)犭姴牧?外延生長在Si襯底上的MnSi～1.7薄膜有望用于制作與現(xiàn)行硅工藝兼容的光電子器件,如光纖連接器和紅外探測器陣列等。本文在以往研究的基礎(chǔ)上,利用

3、超高真空掃描隧道顯微鏡、掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡對(duì)錳的硅化物薄膜和多種納米結(jié)構(gòu)在Si(111)-7×7和Si(100)-2×1表面上的固相外延生長(金屬錳先在室溫下沉積隨后退火)和反應(yīng)外延生長(金屬錳直接沉積在加熱的襯底上)進(jìn)行了系統(tǒng)研究,主要研究成果如下:
　　 (1)錳的硅化物在Si(111)-7×7表面的反應(yīng)外延生長:當(dāng)襯底溫度低于260℃時(shí),沉積在硅襯底上的錳原子與襯底不反應(yīng),生成占據(jù)在襯底7×7元胞的半個(gè)單胞的錳

4、團(tuán)簇；當(dāng)襯底溫度控制在260℃-500℃,錳納米團(tuán)簇和平板狀MnSi島共存；當(dāng)襯底溫度高于500℃時(shí),生成MnSi平板狀島、MnSi1.7納米線和不規(guī)則的Mn5Si3三維島等三種納米結(jié)構(gòu)。390℃-610℃溫度范圍內(nèi)錳硅化物島的成核密度符合傳統(tǒng)成核理論。
　　 (2)使用反應(yīng)外延生長法,精確控制各項(xiàng)生長參數(shù),在Si(111)-7×7表面上制備了具有大的長寬比的錳的硅化物納米線。單位時(shí)間內(nèi)襯底可以提供的自由硅原子數(shù)量對(duì)硅化物納米線

5、的生長起至關(guān)重要的作用。較高的生長溫度和較小的錳沉積速率有利于納米線的生長,同時(shí)亦能有效地抑制其他種類硅化物的生成。納米線的生長由應(yīng)力最小化驅(qū)動(dòng),是襯底和硅化物之間品格失配的各向異性作用的結(jié)果。由掃拙隧道譜(Ⅰ-Ⅴ)知納米線是具有～0.8ev帶隙的半導(dǎo)體。透射電子顯微鏡結(jié)果表明,納米線成分為MnSi1.7。
　　 (3)研究了室溫-～750℃,錳硅化物在Si(111)-7×7表面的固相外延生長情況。錳的覆蓋度控制在0.6-1ML

6、,室溫沉積后生成由占據(jù)著襯底7×7元胞半胞的錳團(tuán)簇構(gòu)成的有序蜂窩狀結(jié)構(gòu)。250℃退火,錳團(tuán)簇開始與襯底反應(yīng)生成硅化物；～250℃-500℃退火,小的三維島(富錳的硅化物)和平板狀島(MnSi)在Si(111)表面上共存；500℃退火,小的三維島全部轉(zhuǎn)化為平板狀的MnSi島；600℃退火,平板狀島又全部轉(zhuǎn)化為由富硅的硅化物構(gòu)成的大尺寸的三維島。隨著退火溫度的升高和退火時(shí)間的延長,硅化物島的密度降低,平均尺寸增大。大島的形成是小島消融的結(jié)果

7、,遵從熟化機(jī)制。
　　 (4)使用錳源和硅源雙源共蒸發(fā)法,在Si(111)-7×7表面上制備了具有原子級(jí)平整度的MnSi薄膜,膜厚～0.7nm,使用透射電子顯微鏡確定了薄膜的成分。薄膜與襯底間的晶格失配度約為-3.2％,晶體取向關(guān)系為:(111)Si//(111)MnSi,[101]Si//[121]MnSi。研究發(fā)現(xiàn)較低的退火溫度(250-300℃)和充足的退火時(shí)間有利于薄膜的生成,MnSi薄膜的生長是通過MnSi平板狀島的橫

8、向分形擴(kuò)展生長實(shí)現(xiàn)的。掃描隧道譜顯示MnSi薄膜呈現(xiàn)金屬性。
　　 (5)研究了錳的硅化物納米結(jié)構(gòu)在Si(100)-2×1表面的反應(yīng)外延生長情況。當(dāng)生長溫度高于～310℃時(shí),沉積在硅襯底上的錳原子全部與襯底反應(yīng)并生成兩種形貌的硅化物:屋狀的三維島和納米棒。研究表明,隨著生長溫度的提高,兩種納米結(jié)構(gòu)的尺寸線性增大,成核密度成指數(shù)規(guī)律衰減,符合傳統(tǒng)成核理論。
　　 (6)研究了室溫-～50℃,錳的硅化物在Si(100)-2×