錳的硅化物薄膜在Si(111)-7×7表面的固相反應(yīng)生長

王 丹 鄒志強,* 孫靜靜 趙明海

(1上海交通大學(xué)分析測試中心,上海 200240;2上海交通大學(xué)微納科學(xué)技術(shù)研究院,上海 200240)

錳的硅化物薄膜在Si(111)-7×7表面的固相反應(yīng)生長

王 丹1,2鄒志強1,2,*孫靜靜1,2趙明海1

(1上海交通大學(xué)分析測試中心,上海 200240;2上海交通大學(xué)微納科學(xué)技術(shù)研究院,上海 200240)

利用超高真空掃描隧道顯微鏡(STM)對沉積在Si(111)-7×7重構(gòu)表面上的錳薄膜在300-650℃之間的固相反應(yīng)進行了研究.錳原子最初在Si(111)襯底上形成錳的納米團簇的有序陣列,經(jīng)過300℃退火后,錳納米團簇的尺寸增大并且納米團簇陣列由有序變?yōu)闊o序;當(dāng)退火溫度達到400℃左右時,錳納米團簇與硅襯底發(fā)生反應(yīng)生成富錳的三維島狀物和由MnSi構(gòu)成的平板狀島;500℃退火后生成物全部轉(zhuǎn)變?yōu)镸nSi平板狀島;650℃退火后生成物則由MnSi平板狀島全部轉(zhuǎn)變?yōu)楦还璧牟灰?guī)則的大三維島,同時被破壞的襯底表面重新結(jié)晶形成7×7結(jié)構(gòu).

掃描隧道顯微鏡;Si(111)-7×7重構(gòu)表面;固相反應(yīng);錳的硅化物;退火

近年來,硅襯底上生長的過渡族金屬硅化物由于在大規(guī)模集成電路中能夠用作歐姆接觸和肖特基勢壘接觸、低電阻互連材料和門電極,并且在高溫下具有很好的穩(wěn)定性,因而引起了廣泛的研究興趣[1-3].與其他過渡族金屬相比,單晶錳的復(fù)雜結(jié)構(gòu)使它有多種硅化物如Mn6Si1、Mn9Si2、Mn3Si、Mn5Si2、Mn5Si3、MnSi以及非化學(xué)配比的MnSi1.7[3].錳硅化物的多樣性及其豐富的晶體結(jié)構(gòu)使得錳的硅化物具有更豐富的物理特性,例如,體材料的Mn5Si3和MnSi均具有金屬性,但Mn5Si3具有反鐵磁性,而MnSi具有鐵磁性(居里溫度約為30 K).由于MnSi薄膜是至今發(fā)現(xiàn)的少數(shù)幾種具有鐵磁性硅化物材料之一,并且可以外延生長在Si襯底上,是電子自旋注入的很好的候選者,因而也是目前自旋電子學(xué)器件研究的熱點材料[4-5];另外,MnSi1.7是帶寬約為0.7 eV的直接帶隙半導(dǎo)體材料,外延生長在Si襯底上的MnSi1.7薄膜有望用于制作與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[2,6-7].因此,清楚地了解錳-硅的界面反應(yīng)機制和錳的硅化物薄膜在硅襯底上的生長規(guī)律進而控制其相組成、結(jié)構(gòu)和特性對錳的硅化物薄膜在自旋電子學(xué)器件和光電子器件方面的應(yīng)用具有重要的意義.

有關(guān)Si襯底上錳的硅化物薄膜的生長及其結(jié)構(gòu)研究有過不少報道,例如,Zhang等[8]在Si(100)表面沉積了300 nm厚的Mn薄膜,并對該薄膜在380-430℃的溫度范圍內(nèi)進行了退火,發(fā)現(xiàn)該溫度范圍內(nèi),Mn薄膜會與硅襯底反應(yīng)依次生成Mn3Si、MnSi、Mn5Si3三種硅化物;Lippitz等[5]在Si(100)表面上沉積了1.5個原子層(ML)厚的Mn薄膜,并在不高于480℃的溫度下對該樣品進行退火研究.結(jié)果表明,在室溫和450℃之間,Si表面上會形成純Mn或富Mn的團簇結(jié)構(gòu),當(dāng)退火溫度高于450℃時,Mn會與Si反應(yīng)形成Mn5Si3和MnSi兩種硅化物;Eizenberg等[9]在Si(100)表面上沉積了240 nm厚的錳薄膜并對樣品在800℃以下的溫度進行了退火,發(fā)現(xiàn)400℃退火后的生成物是MnSi而500℃以上的生成物是MnSi1.7;此外Wang等[10]通過X射線衍射和軟X射線發(fā)射光譜檢測也證實沉積在Si (100)表面上的錳薄膜在400℃退火后會生成金屬性的MnSi,在600℃退火后會生成半導(dǎo)體性的MnSi1.7.

與Si(100)表面上錳的硅化物的生長及其結(jié)構(gòu)研究相比,錳的硅化物在Si(111)襯底上的生長及其結(jié)構(gòu)研究并不全面,除了Lian等[6]對沉積在Si(111)襯底上的30 nm Mn薄膜進行1050℃退火獲得MnSi1.7外,多數(shù)研究的退火溫度均在550℃以下,并且生成的硅化物均為具有結(jié)構(gòu)的平板狀MnSi島或連續(xù)的MnSi薄膜,沒有發(fā)現(xiàn)有其他錳的硅化物生成[2-4,11-14].最近我們在Si(111)襯底上進行了錳硅化物的外延生長研究,發(fā)現(xiàn)除了平板狀MnSi外,在500℃以上的生長溫度還會形成MnSi1.7納米線[15-16].根據(jù)Mn-Si的平衡相圖可知,隨著生長溫度的升高,先出現(xiàn)的錳硅化物相應(yīng)該是Mn5Si3,而不是MnSi.綜合以上研究結(jié)果可以看出,人們對錳的硅化物薄膜在Si(111)襯底上的生長規(guī)律以及硅化物結(jié)構(gòu)的演變過程還沒有一個清楚和全面的了解,還有待于進一步和更細(xì)致地研究.本文中我們采用超高真空電子束蒸發(fā)方法在Si(111)表面上沉積了厚度約為1-2 ML的錳薄膜,利用超高真空掃描隧道顯微鏡原位對該薄膜在室溫到650℃的溫度范圍內(nèi)的退火情況進行細(xì)致的研究,并且從反應(yīng)生長動力學(xué)以及熟化機制方面對錳的硅化物的生長規(guī)律進行分析.

1 實驗部分

本文中所涉及到的實驗是在德國Omicron公司(型號:MULTIPROBE XP)生產(chǎn)的超高真空分子束外延(UHV-MBE)-掃描隧道顯微鏡(STM)系統(tǒng)中進行的.在實驗過程中,系統(tǒng)氣壓控制在5×10-8Pa內(nèi).襯底是磷摻雜的n型Si(111)晶片,電阻率約為0.01 Ω·cm.經(jīng)過一系列標(biāo)準(zhǔn)的退火程序可以得到原子級清潔的Si(111)-7×7重構(gòu)表面.純度為99.999%的錳(Alfa公司)存放在鉬坩堝中以產(chǎn)生蒸發(fā)原子束.沉積速率控制在0.5 ML·min-1(1 ML=718×1014atoms/ cm2≈0.1 nm厚的錳層).樣品退火采用直流加熱的方式(即在樣品兩端的電極上加電壓使電流通過樣品)使樣品的表面溫度升高.由于半導(dǎo)體材料的載流子數(shù)目會隨溫度變化而變化,因而溫度對樣品的電阻影響顯著,在本實驗中我們通過保持功率恒定的方法確保樣品在恒定的溫度下退火.樣品退火之后在超高真空腔體中利用STM進行原位掃描.退火后生成物的寬度、高度以及生成物成核密度等數(shù)據(jù)均是通過對隨機選擇的多幅掃描圖像進行統(tǒng)計得到的.STM所用的探針為電化學(xué)腐蝕得到的鎢針尖,所有的STM圖像都是室溫時在恒流模式下掃描得到的,其中反饋電流為0.2 nA,隧道電壓為2.0 V.

2 結(jié)果與討論

圖1(a,b)是室溫下Si(111)-7×7表面上沉積0.56 ML和2 ML的錳后的STM表面形貌圖.以往的研究表明,Si(111)-7×7結(jié)構(gòu)的單胞由鏡像對稱的兩個半胞(有層錯半胞和無層錯半胞)組成,半胞與半胞之間的邊界處存在一個由二聚體陣列和角洞構(gòu)成的勢壘,這個勢壘對吸附原子在半胞之間的擴散和遷移起到了阻礙作用,因此外延生長錳薄膜時,最初入射的錳原子被限制在7×7的半胞之內(nèi),并在半胞內(nèi)形成錳的納米團簇[17-19].當(dāng)沉積量達到0.56 ML時,半胞內(nèi)納米團簇的生長趨于飽和狀態(tài)(其大小與7× 7的半胞大小相當(dāng),直徑約為1.2 nm,高度約為0.4 nm),并且整個表面上的7×7半胞均被錳的納米團簇占據(jù),形成一個蜂窩狀的有序納米團簇陣列,如圖1(a)所示.由于室溫時錳不會與硅發(fā)生反應(yīng)[17],因此這些納米團簇應(yīng)該是純錳的納米團簇.隨著沉積量的繼續(xù)增加,后面入射的錳原子按照層狀模式(Frank-vander Merwe model)在蜂窩狀結(jié)構(gòu)上生長,由于7×7半胞在被錳原子占據(jù)后對入射原子的束縛力迅速減小,因此,后來入射的錳原子在Si(111)表面上的流動性增大,所形成的錳團簇尺寸增大,并且其尺寸不再受7×7半胞的限制,這些納米團簇的平均直徑約為1.32 nm,呈現(xiàn)無序排列,如圖1(b)所示.

圖1 0.56 ML(a)和2 ML(b)厚的錳在室溫沉積到Si(111)-7×7重構(gòu)表面上經(jīng)STM掃描得到的表面形貌圖Fig.1 STM morphology images of the manganese film deposite on the Si(111)-7×7 surface at room temperature with the coverage of 0.56 ML(a)and 2 ML(b)The scale of the images is 50 nm×50 nm.

圖2(a-d)是沉積量為2 ML的樣品在不同溫度下退火5 min后得到的STM圖像,圖2(e-g)分別為圖2(b-d)中生成物上劃線位置處的截面圖.其中圖2(a)樣品的退火溫度為300℃,由于沒有達到錳與襯底硅原子反應(yīng)所需的溫度[11],Si(111)-7×7重構(gòu)表面上的錳仍然以納米團簇的形式存在,但是其直徑由室溫時的1.32 nm增加到1.6 nm,同時,相比于圖1 (b),圖2(a)中錳納米團簇的密度(單位面積內(nèi)錳團簇的個數(shù))也有所減少.

從熱力學(xué)知識可知,在晶核形成長大過程中,當(dāng)界面處氣相氣壓(氣相原子密度)高于襯底上的該原子密度時,氣相的原子才能吸附到襯底上使晶核長大,氣相的氣壓p和顆粒半徑r的關(guān)系是

其中p0是平的固體表面上(r是無窮大)的平衡氣壓, γ是顆粒的表面張力,Ω是小顆粒內(nèi)原子的體積,k是波爾茲曼常數(shù),T是絕對溫度[20].這個結(jié)果也可以定性地應(yīng)用到薄膜生長過程,即球冠狀晶核和襯底上的增原子密度(相當(dāng)于壓強)也有類似關(guān)系,于是小晶核周圍的增原子密度大,大晶核周圍的增原子密度小,增原子從小晶核周圍向大晶核周圍擴散,增原子擴散走后,小晶核的沿邊原子可以不斷蒸發(fā)到襯底,使小晶核縮小直到消失,相應(yīng)地大晶核吸收擴散過來的增原子而長得更大.這個過程就是所謂的熟化過程,在常規(guī)的薄膜生長過程中從氣相沉積下來的增原子密度很大,把晶核半徑r不同引起的增原子濃度的差別掩蓋起來,所以一般成核長大理論忽略熟化過程,但是在退火過程中,特別在晶核半徑r處于納米量級時,大小晶核周圍的增原子密度可以有顯著的差別,所以不能將熟化過程忽略.上面Mn/Si系統(tǒng)退火過程就是遵循上述的熟化機制,該機制導(dǎo)致在300℃退火后Si(111)表面上錳的納米團簇增大,同時密度減小.

圖2(b)為400℃下退火后原位掃描得到的STM圖像,此時,由于溫度升高造成原子的大范圍遷移使樣品表面出現(xiàn)了三維不規(guī)則的島(其截面圖見圖2(e))和平板狀的島,硅襯底也部分裸露出來,其中三維島狀物的寬度約為9.18 nm,高度約為1.27 nm;平板狀的島的寬度為11.3 nm,高度為0.76 nm.經(jīng)過統(tǒng)計計算得到上述島狀物的成核密度為5×10-3nm-2.掃描圖像還顯示襯底上某些島附近的區(qū)域存在坑洞,同時臺階邊緣有生成物島的地方向內(nèi)凹陷,呈現(xiàn)出襯底表層原子被剝離后的形貌,這些現(xiàn)象表明襯底上硅原子已經(jīng)加入到了島狀物中,說明此時形成了硅化物,通過與我們以前的研究結(jié)果進行比較,可以推斷該退火溫度下錳原子與襯底硅原子已經(jīng)發(fā)生了反應(yīng)[4,12],由于反應(yīng)溫度不是很高,對照錳的硅化物相圖我們認(rèn)為三維島狀物是Mn5Si3等富錳相的化合物.平板狀的島由Schwinge等[14]的透射電鏡分析已被認(rèn)為是簡單立方結(jié)構(gòu)MnSi.縮小掃描范圍,可以得到平板狀島的表面原子級分辨率圖像,平板狀島的表面是°相;通過測量三維島和平板狀島的電流-電壓特性,我們發(fā)現(xiàn)兩種島都是金屬性的,這些結(jié)果與我們以前的相關(guān)研究結(jié)果是一致的[15].

當(dāng)退火溫度繼續(xù)升高到約500℃時,所得的STM圖像如圖2(c)所示,此時生成物全部為平板狀的島(如圖2(f)的截面圖所示),和圖2(b)相比,島的尺寸明顯增大,其平均寬度約為15.4 nm,高度約為0.80 nm,島的數(shù)量明顯減小(成核密度為5×10-4nm-2),說明退火過程中硅化物的生長仍然遵循熟化機制.與圖2(b)相比,襯底表面的坑洞更大,說明更多的硅原子加入到了生成物中.原來的富錳相的化合物(如Mn5Si3)進一步反應(yīng)生成了平板狀的MnSi.經(jīng)過上面的退火過程,我們還發(fā)現(xiàn)生成物島周圍的襯底不再是單一的7×7結(jié)構(gòu),而是出現(xiàn)了7×7、2×1以及無序結(jié)構(gòu)等多種結(jié)構(gòu)(如圖2(c)中插圖所示),這與淬火得到的硅表面很相似[21],這種現(xiàn)象的出現(xiàn)應(yīng)該歸因于溫度升高對硅表面增原子排列和DAS (dimmer-adatom-stacking fault)結(jié)構(gòu)的影響.

圖2(d)是樣品經(jīng)過650℃退火后得到的STM圖像,可以看出,此時Si(111)表面上不再有平板狀的島出現(xiàn),取而代之的是尺寸很大的三維島狀物,同時島的密度進一步減小.比較圖2(e,f,g)所示的三維島狀物、平板狀的島以及650℃下退火得到的“大”島的截面圖可知,650℃時生成物的高度顯著增加,測量發(fā)現(xiàn)這些“大”島的平均寬度為35 nm,高度為12 nm.在這些島周圍的硅襯底出現(xiàn)了大面積的剝層,這說明退火溫度升高后,更多的硅原子通過擴散進入到生成物島中,使得生成物變?yōu)殄i硅配比大于1∶1的富硅相,對照錳的硅化物相圖,該硅化物很可能是MnSi1.7化合物,其確切的晶體結(jié)構(gòu)還有待于利用透射電鏡進一步分析.我們對Si(111)表面上三維島的裸露區(qū)域進行了小范圍的掃描,發(fā)現(xiàn)三維島附近襯底表層的原子在高溫下重新結(jié)晶形成完整的7×7結(jié)構(gòu)(如圖2(d)中的插圖所示).

圖2 沉積有2 ML厚錳薄膜的Si(111)表面在不同溫度下退火5 min后掃描得到的STM圖像及生成物的截面圖Fig.2 STM images of Si(111)surface and the cross section of the product after deposition of 2 ML Mn and subsequent annealing at different temperatures for 5 minT/℃:(a)300,(b)400,(c)500,(d)650.The scan areas of(a),(b),(c),and(d)are 30 nm×30 nm,100 nm×100 nm,100 nm×100 nm,and 500 nm×500 nm,respectively.(e),(f),(g)are the height profiles of the 3D(three-dimensional)island in(b),tabular island in(c),and large island in(d)along the black lines,respectively.

圖3 生成的錳硅化物的密度和高度與退火溫度的關(guān)系圖Fig.3 The annealing temperature dependence of the island number density and height of the Mn silcides formed on the Si(111)surfacenx:the island number density;H:height of the Mn silicides

綜合上述錳的硅化物薄膜在室溫到650℃之間的不同溫度下退火的結(jié)果可知,在退火過程中所形成的錳的硅化物的化學(xué)配比是不斷變化的,隨著溫度的增加,由富錳的硅化物向富硅的硅化物變化.圖3是不同溫度下退火5 min得到的生成物島的密度和島的高度與退火溫度之間的關(guān)系圖,可以看出,生成物島的密度隨著退火溫度的升高而減小,且在400-500℃的溫度區(qū)間內(nèi)的變化速度比其他溫度區(qū)間要迅速的多;生成物高度隨退火溫度的增加而增加,在300-400℃以及500-650℃的區(qū)域增加比較緩慢,而在400-500℃的區(qū)域增加很快,這就說明在此溫度區(qū)間生成物的結(jié)構(gòu)和化學(xué)配比不穩(wěn)定,屬于生成的硅化物有很明顯變化的區(qū)域.

3 結(jié) 論

論述了室溫時Si(111)-7×7表面沉積的覆蓋度為2 ML的錳薄膜在300-650℃之間不同溫度下退火的情況.發(fā)現(xiàn)退火溫度決定了生成物的化學(xué)配比.隨著退火溫度的升高,生成物逐漸從富錳的結(jié)構(gòu)向富硅的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變.室溫沉積形成的錳團簇在400℃開始與硅襯底發(fā)生反應(yīng)并生成富錳的Mn5Si3結(jié)構(gòu)和平板狀的MnSi結(jié)構(gòu);500℃時生成物全部轉(zhuǎn)化為平板狀的MnSi結(jié)構(gòu);而650℃時生成的硅化物全部為由MnSi1.7構(gòu)成的三維的島.其中400-500℃的溫度區(qū)間屬于硅化物變化明顯的溫度區(qū).此外,隨著退火溫度的升高,Si(111)表面被破壞后會重新結(jié)晶形成完整的7×7結(jié)構(gòu).

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October 9,2009;Revised:December 23,2009;Published on Web:March 19,2010.

Growth of Manganese Silicide Thin Films on Si(111)-7×7 Surfaces by a Solid Phase Reaction

WANG Dan1,2ZOU Zhi-Qiang1,2,*SUN Jing-Jing1,2ZHAO Ming-Hai1
(1Instrumental Analysis Center,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,P.R.China;2Research Institute of Micro/Nano Science and Technology,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,P.R.China)

Ultrathin manganese films were deposited onto Si(111)-7×7 surfaces by electron-beam evaporation.The solid phase reaction between the manganese thin film and the Si(111)substrate between 300 and 650℃was studied in situ by ultrahigh vacuum scanning tunneling microscopy(STM).The deposited Mn atoms form an ordered nanocluster array on the Si(111)surface at room temperature.When the sample was annealed at 300℃,the Mn nanoclusters increased in size and the nanocluster array became disordered.When the annealing temperature reached about 400℃the Mn began to react with the Si and the products consisted of three-dimensional(3D)and tabular islands.The tabular islands are a MnSi compound and the 3D islands are Mn-rich silicides.The MnSi tabular islands were the only product when the sample was annealed at 500℃.At an annealing temperature of 650℃,the MnSi tabular islands converted into large 3D islands which were likely Si-rich manganese silicides and the destroyed substrate surface reverted to the 7×7 structure through recrystallization.

Scanning tunneling microscopy; Si(111)-7×7 reconstructed surface; Solid phase reaction; Manganese silicide; Annealing

[Article] www.whxb.pku.edu.cn

*Corresponding author.Email:zqzou@sjtu.edu.cn;Tel:+86-21-34206175-114.

The project was supported by the Basic Research Key Program of the Shanghai Science and Technology Commission,China(07JC14026).

上海市科委基礎(chǔ)研究重點項目(07JC14026)資助

O647;TN16