Электронные свойства тонких пленок силицидов металлов (Мn, Ва, Ni и Pd) тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ ИМ.У.А.АРИФОВ

РГ8 *

- /

О /4

На правах рукописи

УДК 537.533; 534

ХОЛИКОВ ЮСУП ДУСТМУРАДОВИЧ

ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА ТОНКИХ ПЛЕНОК СИЛИЦИДОВ МЕТАЛЛОВ (Мп, Ва, № и Р<3)

Специальность 01.04.04.-Физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

ТАШКЕНТ-1999

Работа выполнена в Ташкентском Государственном Техническом Университете им, А. Р. Беруни, на кафедре "Физика и технология материалов".

Научный руководитель: - доктор физико-математических наук»

профессор НОРМУРАДОВ М.Т.

Официальные оппоненты: - доктор физико-математических наук,

профессор АЛИЕВ A.A.

доктор физико-математических наук, профессор ТУРСУНМЕТОЗ К.А.

Ведущая организация: Ташкентский Государственный Университет им. U. Улугбека.

Защита диссертации состоится ' 2000 года в "

часов на заседании специализированного Совета Д 015.23.01 в Институте Электроники им. У. А. Арифова АН РУа по адресу: 700143, г.Ташкент, Академгородок, ул.Ф.Ходжаева, 33.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института Электроники им.У.А. Арифова АН РУз. ■

Автореферат разослан "

Ученый секретаре Специализированного Совета доктор технических наук, профессор

В s м. ¿ы </- eto з

ХАШЩОВ Н.

ß zw-^03

- 3 -

СЕДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работа. Интерес к тонким пленкам силицидов металлов прежде всего обусловлен присущими им уникальным;! физическими свойствами. На их основе можно создавать чрезвычайно сложные приборы твердотельной электроники (ЕИС.УБИС, детекторы излучения,солнечные элементы, электронно-запоминающие устройства и др.), изготовление которых требует умения контролировать с высоким уровнем точности физические, химические и электрические свойства материалов.

К настоящему времени наиболее детально исследованы состав, структура и свойства массивных образцов кивдов металлов. В последние годы интенсивно ведутся исследования в направлении создания и изучения физико-химических сеойстз тонких (500*1000А) и сверхтонких (<100*203 Д) силицидных пленок. Имеются сведения о составе, морфологии поверхности и эмиссионных свойствах тонких пленок силицидов бария, кобальта и палладия, полученных в условиях сверхвысокого вакуума.

Наряду с фундаментальными исследованиями системы кремний - силицид, интенсивно проводятся работы по созданию на их основе новых приборов микро- и наноэлектроники.

Несмотря на это, следует констатировать, что до сих пор не выяснены многие аспекты кристаллического роста тонких пленок силицидов в процессе термического осаждения в сочетании с высокотемпературным прогревом. Отсутствуют полные данные о концентрационных профилях распределения атомов на границе силицид - кремний; не имеются достоверные сведения о типах и параметрах решетки, о степени ион-ности образующихся связей между атомами кремния и металла, об эмиссионных и электрофизических свойствах пленок силицидов субмикронной толщины. Что касается электронной структуры таких пленок, то для большинства силицидов (в том числе силицидов Ып, N1, РсЗ) она практически не изучена.

Поэтому исследование этих вопросов как с научной, так и с практической точки зрения является актуальной проблемой. Результаты таких исследований, с одной стороны, способствуют расширении области применения тонких ешггаидных пленок в производстве приборов твердотельной электроники, а с другой стороны, позволяют более глубоко понять механизмы физических и химических процессов, происходящих в пленке и на границе раздела силицид - кремний при выращивании пленок силицидоз методом твзрдофгзного сезддения.

Цель» данной работы является получение тонких монокристаллических пленок силицидов металлов, выяснение механизмов их роста, а также изучение их состава, электронной и кристаллической структуры и электрических свойств.

Объекты исследования - монокристаллические пленки силицидов Мп, Ва, N1 и Pd, созданные на поверхности кремния методом твердофазного осаждения с последующей термической обработкой. Б качестве подложки использованы монокристаллы Si (111) р и п-типа.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:

1.Детально исследованы основные закономерности силицидообразо-вания в процессе термического прогрева системы Me-Sl. На различных этапах прогрева изучены изменения элементного и химического состава по глубине системы Me-Sl. Определены оптимальный состав и условия формирования монокристаллов тонких сК500*1000 Á пленок силицидов.

2. Оценены тип и параметры решетки пленок, полученных в работе. Показано, что Mri2SÍ3 кристаллизуется в тетрогональную, PdoSi - в гексагональную, BaSi2 и N1S12 - в кубическую решетки.

3. Определены типы образующихся связей между атомами Me и Si в пленках силицидов, рассчитаны степень ионности связи и величина переносимого заряда от Me в Si, число валентных электронов, участвующих в плазменных колебаниях.

4. Определены плотность распределения валентных электронов и параметры энергетических зон тонких пленок силицидов. Показано, что ширина запрещенной зоны Ес исследованных силицидов значительно меньше (до 2 раз), чем Е^ для чистого кремния, что весьма важно для реализации энергетических электронных процессов.

5. Изучены эмиссионные и электрофизические свойства перспективных для электронного материаловедения тонких пленок силицидов. Показано, что эти пленки могут применяться для создания чувствительных электронных приборов и структур: термо- и • фотодатчиков, СВЧ-транзисторов, низкоомных контактов.

Основные положения, виноеимве на защиту:

1. Оптимальные режимы получения тонких совершенных (d < 500 * 1000 Á) монокристаллических пленок силицидов методом твердофазного осаждения; Стабильные силициды формировались при следующих оптимальных температурах: Т*1300 К -Мп^з; Т*1100 К -BaSio; Т* 1000 К -N1S12 и Т * 900 К :Pd2Si.

2. Природа основных особенностей, наблюдаемых в спектрах фото- и

упругоотр&хенных электронов тонких силидидных пленок. Новые сведения о плотности энергетического распределения валентных электронов и параметры энергетических зон тонких пленок силицидов.

3.Структура и параметры кристаллической решетки, тип связи между атомами Ме и 31 в силицидах Ул, Ва, N1 и Р<3; степень ионности связи и величина переносимого заряда. Для пленок №¡>313 к Ва31о характерна ионно-ковалекткая связь, причем степень ионности связи составляет 25-30 а величина переносимого заряда ~1е; в то время как для пленок N1512 и Рс52$1 межатомная связь является преимущественно ко-валентной.

4.Новые экспериментальные результаты об эмиссионных и электрофизических параметрах тонких силицидных пленок металлов. Механизмы проявления гистерезиса в токовых характеристиках и фотополевых эффектов в гетеросилицндных структурах.

Научная и практическая ценность работы:

Установленные закономерности роста пленок силицидов в процессе твердофазного осаждения и приведенные экспериментальные результаты о составе, структуре и свойствах этих пленок имеют важное значение для развития теории механизма силицидообразования при взаимодействии атомов металлов с поверхностью кремния. С практической точки зрения полученные результаты имеют интерес для развития технологии материалов электронной техники, в частности, для создания контактов к ультратонким слоям, специальных тонкопленочных МДП и ВДП структур, чувствительных электронных датчиков, солнечных элементов и других малогабаритных полупроводниковых структур и приборов.

Результаты экспериментальных исследований, включенные в диссертационную работу, получены непосредственно автором.При проведении экспериментов и в обсуждении результатов участвовали научные консультанты работы проф. Умирзаков Б.Б. и доц. Ташатов А.к.

Пубжстации. Основное содержание диссертации опубликовано в 17 работах, список которых приведен в конце автореферата.

Апрс&щия работ». Основные результаты диссертации обсуждались на международных (Москва-93,94,95,97, Ташкент-94,97, Испания-95, Томск-96, Рязань-9?) и республиканских (Ташкент-93, 94,-95, 97, Гу-листан-84, Наманган-94, Чирчик-95) конференциях и симпозиумах по эмиссионной электронике и взаимодействию ионов с поверхностью.

С&ыгм таботи. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемой литературы из 114 наименований.

Работа содержит 128 страниц машинописного текста, 37 рисунков и 9 таблиц.

Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы исследований, ее научное и практическое значение, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, цель исследования; показана новизна работы.

В первой главе приводится обзор известных научных данных, пос-вяпгзкных изучению основных закономерностей формирования силицидов металлов, особенностей кристаллической и электронной структуры, а также электрофизических свойств силицидов.

Пристальный интерес к получению и исследованию свойстз тонких пленок силицидов металлов прежде всего связан с возможностью применения их для создания приборных структур с уникальными техническими характеристиками.

Можно выделить следухицие перспективные направления твердотельной электроники к микроэлектроники, где успешно можно применять си-лицидные пленки: создание различных МОП и МДП транзисторов; получение СВЧ-приборов (ИС, лавкно-пролетные диоды, транзисторы с металлической и проницаемой базой); создание монолитных комбинированных детекторов излучения; получение барьеров Шоттки, затворов, омических контактов и межсоединений.

Анализ известных данных показывает, что в настоящее время состав, структура, электрофизические и фотоэлектрические свойства массивных силицидов металлов и диффузионно-легированных кристаллов кремния исследованы достаточно подробно.

Большинство сидицидных фаз являются металлическими проводниками. Электропроводность этих силицидов аналогична металлам, а ее температурная зависимость в основном нелинейна и зачастую обнаруживает экстремальные значения. Это может быть следствием наличия б силицидах носителей тока различных знаков.

Силициды с полупроводниковым характером электропроводности обладают высокими значениями коэффициента абсолютной термо-эдс, он максимален для BaSi2 (+600 мИВ/град). Однако, до настоящего времени нет однозначного объяснения причин, обуславливающих металлическую, либо полупроводниковую природу электропроводности силицидов. В конце главы дается анализ литературных данных и приводятся основные задачи данной диссертационной работы.

- ? -

3 зтсрсй гладе описаны техника и методика получения тонких пленок силицидов и исследования их состава, структуры и свойств.

3 работе, в основном, были использованы две высоковакуумные установки. В одной установке, которая являлась стандартной (типа LAS-2000) проводилось осаздение пленок металлов на поверхность кремния, термическая обработка, исследование кристаллической структуры пленок методом ДБЭ, измерение толщшы пленок. Зо второй установке проводилось исследование физико-химических свойств пленок с использованием комплекса методоз ВЗС и ФЭС. Эти методы в совокупности обеспечивали: определение концентрации основных и примесных атомоз на поверхности и в приповерхностных слоях иокно-легированного образца; установление типа химической связи между атомами, содержащихся з этих слоях; изучение зонной структуры и распределения плотности электронных состояний в зонах; измерение параметров вторично-, термо- и ионно-электронной эмиссии металлосплазов; определение изменений работы выхода ;г некоторых оптических параметров полученных силицидов.

Для получения информации о микрорельефе поверхности к более точного определения параметров репетки использован растровый электронный микроскоп "Санеса" и электронограф ЗМР - 102.

В зависимости от формы исследуемых образцов для измерения удельного сопротивления применяются двухзондовый и четырехзондовый методы.

Ошибка измерений при определения удельного сопротивления и параметров вторичной эмиссии, рассчитывалась методом наименьших квадратов и ее значение в наших экспериментах не превышало 1 * Концентрация атомов определялась методом ОЭС с точностью -10+15 ат.%.

3 трзтьей главе приводятся результаты экспериментов по изучению концентрационных профилей распределения атомов по глубине для систем "металл-кремний" и "силицид-кремний", кристаллической и электронной структуры поверхности, морфологии и стехиометрии пленок.

Напыление металлов на поверхность монокристаллического Si(111) проводилось при комнатной температуре подложки в условиях высокого вакуума (Р*10~б Па). Толщина пленки варьировалась в пределах -200-500 Â.Методом CSG в сочетании с конным травлением были определены элементный и химический состав силицидных пленок и профили распределения атомов металла и кремния по глубине образца. Скорость ионного (Аг+) травления пленок составляла 3-5 À-мин"1. Перед изме рением проводилось обезгаживание подложи (кремния), источников Мп

- a -

и Аг+ при вакууме не хуже Р-5-10"6 На. Образцы кремния сначала подвергались длительному прогреву (10 - 15 ч) при Т * 1200 К и кратковременному прогреву (10-15 мин) при Т*1500 К. После такой обработки на поверхности S1 общая концентрация примесных атомов (0, . С) не превышала 1-2 ат.%, а в приповерхностной области толщиной 15-20 А и более, их концентрация была ниже предельной чувствительности сже-спектрометра по концентрации 00,5 ат. 7.).

Ба рис 1. приведены концентрационные профили распределения атомов Мп по глубине системы Mn-Sl, полученные после прогрева с различной температурой. Бремя прогрева при каждой температуре составляла 2 ч. Видно, что при комнатной температуре интенсивная диффузия Мп в S1 не происходит, ко небольшая часть атомов !,!л и Si образует химическую связь. Прогрев этой системы приводит к резкому изменению зависимости Cy.n(d). Уже при Т-800 К глубина диффузии атомов f.!n доходит до 500 - 600 А, следовательно, его концентрация в приповерхностной области заметно ум-эньЕается.и составляет -75-80 ат.%. При Т-ЮОО К зависимость CMn(d) проходит через максимум в области (М00-150 А. Это обусловлено интенсивной диффузией SI к поверхности пленки. Прогрев при X * 1300 К приводит почти к равномерному распределению Мп по глубине системы.

Рис.1, а) Профили распределения атомов Мп по глубине системы Мп-Б! (ймп*400 А), подвергнутой прогреву с 1,К:1-800,2-1000, 3-1300. б) Влияние образования силицидных фаз на положение и форму пика ЬгзУУ кремния.

Одновременно оценивались концентрации атомов Мп, химически связанных с атомами 21, и тип образующихся соединений. Такая оценка осуществлялась на основе анализа характеристик пиков типа ХУУ 21 и Мп (рис. 16). Возможные типы., образующихся соединений для разных глубин указаны на соответствующих кривых Смп(й) (рис. 1а). Видно, что при относительно невысоких температурах происходит частичное образование силицидных фаз. При Т>1100 К почти все атомы № и входят в химическую связь. При Т-1300 К в области (1-0-1200 А образуется соединение типа Мп<£1з. Увеличение температуры до 1400-1500 К приводило к разложению силицидных фаз и интенсивному испарению атомов Мп и 31 из. поверхностных слоев.

Аналогичные исследования проводились и для силицидов Р<3, N1 и Ва. Следует отметить, что в случае РсЗ, в отличие от Мп, в приграничной области Р<1-31 уже при комнатной температуре образуются соединения типа РЙ2Б1. Прогрев системы до 600 К не приводит к заметному изменению ширины переходного сдоя. Начиная с Т « 500-650 К происходит интенсивная диффузия Рс1 в 51 через пленку Рс!г31. При Т * 850-800 В образуется однородная по глубине пленка Р^З!. Толщина пленки силицида зависит от толщины напыляемой пленки Р<1.

В случае системы N1-51 однородная по глубине пленка силицида типа N1312 формировалась при Т * 1000 К.

Отметим, что при образовании силицидов Рс1 и N1 форма и положение' пика ЬйзУУ кремния заметно не изменяются. Это можно объяснить образованием ковалентной связи между атомами металла и 31.

В случае же системы Ва-31 монокристаллические пленки формировались, начиная сТ« 1000 К. В основном, образовался силицид типа Ва31о (Т * 1100 К). Такие же силициды получены и методом имплантации ионов бария в кремний в сочетании с прогревом. Однако в этом случае толщина этих пленок не превышала 20-ЭО А.

Для определения природы образующихся связей, для оценки степени ионности связи и величины переносимого от металла к кремнию заряда (электронов) нами попользован метод спектроскопии УОЗ остовных уровней.

Количество заряда Дя, передаваемого катионом аниону оценивалась по формуле:

Дд - ДЕ/б2(А(г)/г - а/Ю, (1)

где ДЕ - величина химического сдвига остовного уровня, г - величина, близкая к ионному радиусу катиона, !? - расстояние между катионом и анионом, А(г) - геометрический фактор, учитывающий особенное-

ти распределения зарядовой электронной плотности, а - постоянная Маделунга.

В таблице 1 приведены значения сдвига Ьгз - уровня, разности злектроотрицательностей кремния и силицида, степени ионности и .величины переносимого заряда Дq для Мп^з. Электроотрицательность материалов оценивались по значению их сродства к электрону ж. Степень ионности I рассчитанз по формуле, предложенной Еолингом: 1 _ 1 . ^0.250*3» " »сил)2 (2)

Табл. 1

Химический сдвиг уровня Ьгз кремния, степень ионности и величина переносимого заряда

Соединение Химический - геоид], Степень Да

сдвиг, эВ ЭВ ионности,%

Мл231э -4 1,1 27 1

ВаБ12 -4,5 1,05 25 1,1

Р<32Б1 -1 0,4 ~10 0,2

ИШг -0,5 0,5 -10 0,2

Из таблицы 1 видно, что в случае Мп^з и ВаБ12 между атомами кремния и металла образуется ионно-ковалентная связь, а в случае N1512 и , по-видимому, связь имеет преимущественно ковалентный характер. При этом некоторый сдвиг Ьзз -линии кремния может быть обусловлен изменением плотности злектройных состояний в валентной зоне.

С использованием методоз РЗМ и ДБЭ исследованы морфология поверхности, тип и параметры кристаллической решетки силицидных пленок. Установлено, что при комнатной температуре пленка металла на поверхности 31 растет аморфно и неравномерно в виде трехмерных слегка ограниченных островков. Еысота неравномерности доходит до 50-100А. Определена оптимальная температура,при которой получается стабильный силицид, имеющий монокристалличес-кую структуру и гладкую поверхность. Параметры полученных пленок приведены в таблице 2.

Видно, что пленки силицидов Ва и N1 имеют однотипную с кремнием решетку, а в случае силицидов Мп и Р<3 формируется решетка другого типа.

Исследование электронной структуры поверхности силицидных пленок проводилось с применением методов спектроскопии УФЭС и СУОЭ. На рис. 2 приведены фотоэлектронные спектры тонких пленок Мп2Б1з.

- 11 -

Тигт и параметры решетки силицидов

Табл. 2.

Сили- Оптим. в данной работе в литературе

циды . темпер

в К тип решетки парам.реш. тип решетки парам.реш.

мп231з 1300 Тетрогонал. а - 5,7 £ Тетрогонал. а- 5,525 Ь

с -15,3 £ с-17,463 £

РсЗгБ! 850- Гексогона;. а - 6,5 ^ Гексогонал. а- 6,528 А

800 с - 3,45^ с- 3,437 А

Ва31г 1100 Кубическая а - 6,2 А . Ромбическая а- 8,92 А

Ь- 6,80 А

а - 5,42 А с-11,58 А

N1512 1000 Кубическая Кубическая а- 5,406 А

N1312, Рй231, и Ва312, полученных при энергий фотонов Ьу * 10,8 эВ. По оси абсцисс отложена энергия связи ЕСс. Видно, что структура кривых распределения фотоэлектронов силицидных пленок существенно отличается от структуры кривых как чистого кремния, так и соответствующих металлов. Для всех силицидов структуру спектров можно разделить на три условные полосы. Первая полоса лежит в интервале от -12 эВ до -6 эВ, и соответствует несвязанным Б -состояниям Б!. Вто-

Л

М=10,8эБ У /Л.

Т^ТР1 Ай™^

N(0

Рис.2. ФЭС для Б1 и силицидов металлов.

рая полоса (ЕСв * от -6 до -1 эВ) откосится к связанным гибридизи-рованным состояниям кремния и металла (р -состояния и <3 -состояния в случае Мп, Р<1, N1 и б -состояния, в случае бария). Третья полоса, которая лежит в интервале -1 * 0 эВ соответствует несвязанным с) -состояниям металла (в случае бария б -состояниям).

На основе анализа спектров УФЭС нами были определены основные параметры энергетических 'зон"исследуемых 'силицидов: положения уров-' ня Ферми Ей и "потолка" валентной зоны Еу, ширина запрещенной зоны Ег и величина сродства к электрону ж.

Табл. 3.

Параметры энергетических зон силицидов

Объект исследования Параметры зон, эВ

ЕУ ЕР Ее зе

Б1 (111), п-тип 5,1 4,2 1.1 4,0

Мп-аЗхз 3,7 3,2 0.7 3,0

N1312 3,9 3,9 0.4 3,5

ВаБ1г 4,0 3,4 0,7 3,3

4,1 3,9 0,3 3,8

Из таблицы 3 видно, что образование силицидов металлов во всех случаях сопровождается резким сужением Ее и некоторым уменьшением х. Все эти пленки являются относительно кремния гетероструктурными. При этом ширины запрещенных зоны этих силицидов существенно не отличаются друг от друга. Однако, уровень Ферми в случае Ва312 локализован вблизи валентной зоны, в случае Р<3г31 и Мп231з -вблизи дна зоны проводимости, а в случае N1512 уровень Ферми располагается на уровне потолка валентной зоны. Отсюда следует, что является

вырожденным полупроводником с дырочной проводимостью и обладает очень низким удельным сопротивлением.

В четвертой главе приводятся экспериментальные результаты исследования эмиссионных и электрофизических свойств силицидных пленок, а также проанализированы некоторые практические аспекты применения гетероструктурных пленок силицидов. Как известно, сведения о вторично-эмиссионных свойствах тонких пленок силицидов металлов отсутствуют. г,

В таблице 4 приведены. эмиссионные . характеристики исследуемых материалов: бт -максимальное Значение коэффициента вторичной электронной эмиссии, еф -работа выхода, Ерт_-значение энергии первичных электронов, при которой б - бт.

Табл. 4.

Значения еф, бщ и Ерт для 31 и силицидов металлов

Объекты исследования еф, эВ Ерт, ЭВ бщ

Б1 (п-тип) !.!п251з (Мп) РаоБ! (РЙ) Ва512 м(Ва) ' N1512 (N1) 4,3 3.8 (4,5) 3.9 (5,0) 3,6 (2,3) 4,0 (4,7) 300 450 (450) 550 (500) 500 (400) 500 (600) 1.1 1,6 (1,2) 1,9 (1,7) 2,0 (0,95) 1,7 (1,3)

Из этой таблицы видно, что во всех случаях значение е<? силицидов меньше, чем соответствующая величина для Б1 и металла (кроме случая Ва).. ; Что касается значения б, то для силидадов оно во всех случаях,г независимо от значений ер, больше чем величина б для чистого кремния и металла. Исходя из этих соображений, можно сказать, что силициды металлов обладают большей эмиссионной эффективностью по.сравнению с их компонентами.

........ Отжиг, силицидных пленок начиная с Т * 700+800 К приводит к немонотонному изменению зависимостей бт(Т) и еф(Т). Гак, например в случае №231з в.интервале Т % 600+900 К на зависимостях бт (Т) появляются^ некоторые ступеньки, по-видимому, связанные с отжигом определенных дефектов структуры. Основное изменение на кривой зависимости б^ (Т) силицида марганца происходит, начиная с температуры "М000+1100 К. При этой Т начинается разложение Мп231з и обогащение поверхности атомами металла. Это приводит к заметному уменьшению бт системы. Дальнейший рост температуры приводит к усилению скорости разложения, ас?* 1300 К начинается интенсивное испарение атомов марганца (а также кремния) с поверхности. Уже при Т * 1400+1500 К значение бп системы Мп251з/Б1 мало отличается от значения бщ для чистого Б1.

Из электрофизических свойств пленок нами изучались удельное сопротивление р и высота барьера Шоттки (ВБШ) силицидных пленок.

Установлено, что среди силицидных пленок наибольшим удельным сопротивлением обладает Мпг31з (3-104мк0м-см, а наименьшим Ва319 и N1512 (р-30+50 мкОм-см). Необходимо отметить, что значение р не всегда сильно зависит от соотношения концентрации атомов Ме/51. По-видимому, оно зависит еще и от типа связи между атомами , кристаллической и электронной структуры силицида.

Значения ВБШ для всех исследованных систем находятся в. пределах 0,6 * 0,65 эВ, что существенно не отличается от известных ранее

- 14 -

данных, полученных для более толстых пленок.

Температурная зависимость р пленок имеет немонотонный характер, например, на зависимости р(Т) Мп^з/Б! в области 500-900 К обнаруживается два явных максимума при Т - 600 и 750 К, вероятно связанные с истощением примесных уровней. Такие максимумы для толстых образцов силицидов, не обнаруживаются. Можно полагать, что в запрещенной зоне Ь!по31з имеется два примесных уровня, расположенных вблизи дна зоны проводимости (Ее%0,05б, и 0,064 зВ). В интервале Т ~ 1100 * 1300 К происходит небольшое уменьшение значения р. Последнее' связано с частичным разложением },{л;>31э и обогащением поверхности атомами металла. С дальнейшим ростом Т наблюдается интенсивное разложение Мп2$1з и испарение компонентов силицида с поверхности, что приводит к резкому росту р.

Аналогичные максимумы наблюдались на зависимостях р(Т) и для других силицэдных пленок. Эти примесные уровни могут быть обусловлены высокой дефектностью пленок, недостаточной упорядоченностью их структуры или наличием других фаз силицидов.

В работе также исследованы электрические и фотополевые характеристики переходной области силицид-кремний. Измерения вольтамперных характеристик в прямом и обратном направлений приложенного напряжения проводились как в темновом режиме, так и в режиме освещения системы видимым светом (Х-0,55мкм, освещенность 1000-20000 лк). Во всех случаях на вольтамперных характеристиках возникает петля гист-резиса. Ход токовой зависимости в обоих направлениях создает петлю гистрезиса с отрицательным знаком.

В режиме подсветки структуры светом с освещенность» 2300лк наблюдается уменьшение порогового поля как в прямом, так и в обратном направлениях. Омическое сопротивление (на начальном участке) по сравнению с темновым, как в прямом, так и в обратном направлениях, увеличивается. Однако, вблизи порога значения этих токов уменьшаются. Например, в обратном направлении пороговый ток уменьшается от 20,9мА до 19,7мА. При этом, характер зависимости тока от напряжения приближается к линейному.

Уменьшение сопротивления омического участка при подсветке можно объяснить увеличением концентрации основных носителей тока за счет фотопроводимости. Обнаруженные всплески тока и изменения величин пороговых напряжений можно связать с термозмиссионными и фотополевыми эффектами, происходящими в силицидных структурах.

Для выяснения механизма гистерезисных явлений проведена серия

измерений на образцах, поверхность которых постепенно соилифовыва-лась. Их толщина уменьшалась до 400 мкм. На очищенную после шлифовки поверхность вплавляли алюминий в виде шарика в вакууме, при 600°С. Результирующая площадь составляла 0,2 см2. В итоге получали гетеропереходную структуру А!-п31-?.!п231э с асимметричными контактными площадками. На этих образцах увеличение интенсивности освещения от 2000 до 15000 лк приводило к нагреванию поверхности до 50°С. Последнее приводило к преобразованию вольтамперной характеристики. То есть, возникает петля гистерезиса, как и во всех исследованных образцах с симметричными по размеру контактными площадками. В них также наблюдается различие между прямой и обратной направлениями токовой зависимости.

В прямом направлении ток при 0,4 В (9,22 мА) становится больше, чем в обратном направлении (5,14 мА). По сравнению с темновым током в обоих направлениях лри подсветке на омическом участке наблюдается увеличение тока.

Анализ полученных результатов" по фотоЗДС показывает, что в ос- -нове впервые наблюдаемых нами гистерезисных явлений лежит градиент концентрации носителей тока, обеспечиваемый'электрическим или температурным полем.

В заключение отметим, что обнаруженное нами гистерезисное явление связано с локализацией силицидов марганца на поверхности, создающей гетеропереход с исходным кремнием. Подобный гистерезис не наблюдался в объемных кристаллах, специально легированных марганцем или другими примесями. Отличие полученных результатов состоит в том, что впервые на практике получены тонкие монокристаллические пленки силицидов марганца, создающие гетеропереход на границе с базовой областью. Эти пленки могут быть использована как для получения активных элементов приборов твердотельной электроники,- так и для создания контактов на поверхности пленок субмикронной толщины.

Основные положения и выводы:

В диссертационной работе впервые с использованием комплекса методов электронной диагностики исследован элементный и химический состав, электронная и кристаллическая структура, эмиссионные и электрофизические свойства ряда тонких (с1 < 500+1000 А) пленок силицидов металлов, полученных в приповерхностной области кристаллического Б1 методом твердофазного осаждения в сочетании с термической диффузией.

Основные результаты диссертации могут быть сформулированы следующим "образом:

1. Показано, что методом твердофазного осаэдения с последующем прогревом в случае металлов Мп, Рс1, Ва и N1 можно получить совершенные (однородная поверхность, строгач стехиометрия по глубине) монокристаллические пленки стабильных силицидов следующего состава - г.!п251з. Рс1231, Ва21о и N1312- Определены оптимальные температурные режимы формирования пленок данных силицидов металлов. В частности, определено, что монокристаллические пленки Мп<£1з формируются при Т % 1300 К.

2. На основе подученных данных ДБЭ оценены тип и параметры решетки силицидных пленок. Показано, что пленки Мпг31э имеют тетрагональную кристаллическую решетку, Р<3г31 - гексагональную, а Ва31г и N1312 - кубическую решетку.

3. С использованием методов ОЭС и СУСЭ установлено, что в случае ?»!п231з и Ркз512 образуется ионно-ковалентная связь, а в случае

. N1312 и РйгЗ! образуется преимущественно ковалентная связь. По химическому сдвигу основного пика УОЭ (уровнь Ьо3) 51 рассчитаны степень ионности связи I и величина переносимого заряда Дq в силицидах для Ыг^з: 1-277., для ВаЬ'1о: 1-25% и Дср*1,1, соответственно.

4. Идентифицированы основные особенности, наблюдаемые в энергетических спектрах фото- и упругоотраженных электронов. Определены плотности электронных состояний и параметры энергетических зон силицидных пленок. Определены значения энергий плазменных колебаний пленок силицидов металлов. Оценено количество п валентных электронов, участвующих в коллективных плазменных колебаниях: б случае МП2313 Г) - 3,4; N1312 - 3,6; ВаБ1г - 3,6; Рс^ - 3.

• '5. Изучены основные эмиссионные и электрофизические свойства силицидных пленок. Выяснены основные механизмы, приводящие к появлению тонкой структуры на кривых зависимостей еч?(Т), бт(Т) и р(Т).

6. Установлены основные причины появления гистерезиса в токовых характеристиках и возникновения фотополевых эффектов в гетеросили-цидных структурах Шо31з-31.

7. Рассмотрены области возможного практического применения полученных тонких силицидных пленок. Показано, что эти пленки успешно могут применяться в электронном материаловедении и микроэлектронике для создания термо- и фоточувствительных датчиков, сверхвысокочастотных транзисторов с металлической и проницаемой базой,а также низкоомных контактов на поверхности Б1.

- 1? -

Оепозкоэ содариание ^сеортета кздогаяо а работах:

1. Холиков Ю.Д., Ташатов А.К., Ух«ирзаков В.Е., Бормурадоз М.Т. Исследование состава мехфазной границы Mn-Si методом Оже-электронной спектроскопии.//Известия РАН. Серия физическая. 1994. Т.58. N 10. С.90-92.

2. Холиков Ю.Д., Нормурадов М.Т., Такатов А.К., Умирзаков Б.Е. Электронно-спектроскопическое исследование поверхности пленок силицидов марганца и бария.// Узбекский физический журиал, Ташкент. 1997. N 2. С. 38-41.

3. Рысбаез A.C., Нормурордов М.Т., Юздзжев Ю.Ю., Холиков Ю.Д. Изменение вторично-эмиссионных и электрических свойств поверхности 31(111) при ионной имплантации и последующем отжиге.//Узбекский физический журнал, Тазкент.1998. N 1. С.37-40.

4. Холиков Ю.Д., Умирзаков Б.Е., Таяатов А.К., Нормурадов М.Т. Электронное строение поверхности силицидов марганца и бария. //Узбекский физический журнал, Ташкент.1998. N3. с.51-54.

5. Каримов A.B., Умирзаков Б.Е.. Холикоз Ю.Д. Гистерезные явления в структурах с симметрично сформированными переходными областями силицид марганца-кремний.//Узбекский физический журнал. Таи-кен?.1998. N 4. с.47-50.

G. Холиков Ю.Д.,Синюкоз S.A..Адамбаев К..Таиатов А.К. Исследование профилей распределения атомов }«'л в области межфазной границы системы Мп-31.//Ма7.ме*Д.конф. "ВИП-11" Москва. 1993. Т. 2, С. 162.

7. Ташатов А.К., Нормурадов М.Т., Холиков Ю.Д. Исследование диффузии атомов !.!п в S1 методом СОС.// Мат.ХП-конф. по эмиссионной электронике, !<!осква. 1994. Т.З. С.187.

8. Нормурадов н.Т., Адамбаев К..Миржалилова М.А., Холиков Ю.Д. Исследование состава и структуры ' межфазной границы Mn-Sl, N1-S1.//Тез.докл.VI 11-межд.симп. по ВЭ, ОЗЭ и спектроскопии поверхности твердого тела. Ташкент. 1994. С.7-8.

9. Холиков Ю.Д., Ташатов А.К., Усманов Н., Кодиров И.Н. Исследование зонной структуры поверхности силицидов металлов, полученных ионной имплантацией и твердофазной эпитаксией.// Мат. межд. конф. "ВИЛ-12" Москва. 1995, Т.2. С.198-199.

Ю.Танатов А.К., Усманов Н., Холиков Ю.Д., Нормурадов М.Т. Получение гетерозпитаксиальных пленок BaSls и C0SI2 на S1 методом низ-кознергетической ионной имплантации.//Мат.конф."Фан ва кзлаб чи-кариш". Чирчик. 1995. С.

11.Ходиков Ю.Д.. Умирзаков В.Е., Адамбаев К., Ташатов А.К. Злектри-

ческке свойства пленок Mn^Sls.//Мат. 1-республиканская кокф. по физической электронике. Ташкент-1995, с. 125.

12.TashatGV A. К. , Usranov М., Halikcv Yu.D.. toiirzafcov В.Е., The application of len Implantation for creation of heterostructure on the basis of silicon.// 9th International Confer, on Surface Modification of Metals by Ion Beans. San Sebastian - SPAIN, Sept. 4-8,1995.

13.Нормурадов ),!.?. , Ташатов А.К., Кодиров И.Н., Холиков Ю.Д. Некоторые практические аспекты применения низкоэнергетической лонной имплантации.//Тез. докл. IV Всероссийской конф. по модификации свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц. Томск. 1996. С.128.

14.Нормуродов 11.Т.. Ыиржзлилова II.А., Умирзаков Б.Е., Холиков Ю.Д. Электронная спектроскопия поверхности пленок Мпг31э и BaSl2.//Te3. докл. Всероссийского симп. по эмиссионной электронике: Рязань 1997. С.163-164

15.Каримов А.В., Умирзакоз Б.Е., Холиков Ю.Д. Термофоторедакеацион-кые эффекты в кремни;! с контактами, полученными диффузией марганца.//Тез. докл. Республиканской кокф. "Актуальные проблемы физики полупроводниковых приборов" Талкент. 1997. С.71.

16.Та2атов А.К., Миржалилова М.А., Нормуродов М.Т., Холикоз Ю.Д. Влияние имплантации ионоз Ва+ и последующего отжига на состав и структуру поверхности S1 и Capo.// Мат. межд. конф. "ВКП-13" Москва. 1997. Т.2. С.315-316.

17.Холиков Ю.Д., Усмаков Ы. Миржалклова М.А.. Умирзакоз В.Е., Влияние послеростового отжига на состав и структуру пленок Si/CoSlo (100).//Тез.докл. XIII межд.кенф. по эмиссионной электронике, новые методы и технологии. Таип;ент. 1997. С. 52.

л

- 19 -

ЗгЕТЛЛ (Мп, Ва, N1 ва Р<1) СИЛЭДИДЛАРИ ИЩА ПЛЁНКМАРИК1КГ ЭЛЕКТРОН ШУСИЯТЛАРИ

Холицоз Юсуп Дустмурадович Ишнинг кискача мазмуни '

Еу ишда биринчи ыарта кдттик фазалк ут^азиз ва у,ароратли диффузия усулларини биргаликда ^ллаш й?ли билан ?»!л, Ва, N1 ва РсЗ си-лицидларининг гапкз пленкалари олинган, уларнинг элементар ва кимё-вий таркиби, электрон ва кристалл тузилипш, эмиссия ва электрофизик хусускятлари ургакилггн.

Метал атомларини кремкийнинг юзасига утн,азиз ва керакли темпе-ратурзда у?лздириз усули б::-гн силкцкдларпкнг ¡#йидзги таркибли стабил монокристалларини олиз мумкинлкги ан;::>-а:;гач:"п231 з. ВаБ12, N1512 ва Р(ЗгБ1. Бу склкцкдларнинг ?,осил булкз оптимал режкмлари, уларнинг кристал панжаралэринкнг тури ва парачетрларп урганилган: !,!п231з -тетрогонал, -гексогопал, Еа312 ва N1312 -кубке пан-

глрага эга зкаклиги ]$рсатилган. Бунда Мпг31з за Вг312 бирикмалари ион-Ковалев? боглгнипли, >11312 ва РсЗоЭ! эса купрок, ковалент богла-нипга мойил зканлиги аник^знди. Вален? злектронлари зичлигипинг ^олати ва зокаларнинг энергетик параметрлари урганилган. Олинган силицидлар асосида ?/л231з-р31-.Чп231з. Мп251з-п51-Мп251э, А1-п31-!Лп231з каби гетерсструктурали термо- ва фото сезгир ткзим-лар >;сс/л Цилиьтан. Бу тизимларнинг вольт-ампер характеристккзла-рида Г5!стрезис :-;ал^аси вухудга келипи кузатилган ва бу ^одпсэдан зеда са^аб ¡^олкз электрон ^урилмаларэда фойдаланиа мумкин. Диссертация наткжаларини яна Ута кяща цатламлар юзасида контактлар ^осил ¡^илгсз, кахсУс ЩЩ, ПДП -тизимлар , сезгир электрон датчик-лар, ¡>/ёп элемектлари ояилда ва бопи^лзрда фойдаланиз мумкин.

Electronic Proper Jim of Thin FSffia of Meiri (Me, Nf, Ba, Pd) SSadss.

For the first time, making use of the solid phase deposition technique in composition with the thermal diffusion thin films of metal (Mn, Ni, Ba, Pd) silicides have been obtained. Their elemental- aad chemical composition, electronic- cad crystalline structure, emission- and electrical properties have been studied.

It has been shown that making use of the technique of molecular deposition of Mn, Ni, Bo and Pd onto e Si(lll) surface followed by the heating the single» crystal films of stable silicides of MnjSij, BaSi;. NiSij and Pd:Si can be obtained. The optimal conditions for their creation have been determined. Both the types and the crystal lattice parameters have been established for the silicide films. It has been found that the crystal lattice is tetragonal for MnjSij hexagonal for PdiSi, and cubic for BaSi2, NiSi-. It has been shown that the compositions of Mn;Sij and BaSij are the ionic-covalent ones, but the bond in NiSi2 and PdjSi is mainly covalent. Both the densities of states ofvalent electrons and the energy bend parameters have been determined for the silicide films. Using the silicide films obtained the heterogeneous structures of MnjSij-pSi- MnjSij Mn-SirnSi- Mn^Sij, Al-nSi- Mn;Si3 having the good thermal- and photosensitivities were produced. The current voltsge characteristics of these heterogeneous structures have a shape of a hysteresis loop, allowing them to be used in storage elements. The results of the work can be used for the creation of contacts to ultra thin costs as well as for the creation of special thin films with the structures of metoi-insulator-sem(conductor and semiconductor-insulaior-semiconductor, sensitive electronic transducers, sola- elemtcts etc.

Yu.D.IOu5lIkov

Summary

Подписано к печати 10.12.99г. Формат бумаги 60x34 1/16. Объём 1.25 пл. Тираж 100.3аказЛг»997 Отпечатано в типографии ТашГТУхТашкелт, ул.Тала5алар,54