Поведение никеля на атомарно-чистых поверхностях кремния и индуцируемые им структуры тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ АН РАЙ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

На правах рукописи УДК 539.211/539.219.3

Тийс Сергей Александрович

поведение никеля на атомарно-чистых поверхностях кремния и ииду1шруеиые ии структуры

Специальность - 01.04.07 - физика твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата фязико-ыатематических наук

Новосибирск - 1993

Работа выполнена в Институте физики полупроводников СО РАН

Научный руководитель - доктор физико-математических наук

Б.3.Ольианецкий

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук

А.Л.Асеев,

доктор физико-математических наук Г.В.Гадияк

Ведущая организация - Институт полупроводников АН Украины

Защита состоится "23" 1993 г. в Л Ь часов на

заседании специализированного совета К 003.05.01 со присуждению ученой степени кандидата наук в Институте йизикп полупроводников СО РАН ( 630090, г.Нозосибирск-90,

пр. Лаврентьева 13).

С дассертзциэй можно ознакомиться в библиотеке Института физики полупроводников СО РАН. '

Автореферат разослан »23» ЛиЛсх.^ 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор физ.- мат. наук ст.н.сотр. } ¿.В.Двурэченский

уещая характеристика работы

Актуальность теш. Многочисленные работа последних десятилетий показали, что свойства поверхностей кристаллов и процессы, происходящие на них, отличаются от подобных свойств и процессов в объеме твердого тела. Результаты исследований атомарно-чистых поверхностей (АЧП), по сравнению с реальными, дают наиболее однозначную и более надбкную информацию о свойствах и структуре поверхности. С- созданием установок сверхвысокого вакуума у исследователей появилась возможность не только, получать, но и сохранять АЧП длительное время для проведения необходимых измерений. Изучение характеристик поверхности кристалла - особой фазы твердого состояния вещества, представляет как научный, так и практический интерес. Состояние АЧП определяет динамику процессов - диффузии по поверхности, зародытеобразования и роста пленок, катализа и адгезии.

Порвые теоретические модели и практические измерения параметров поверхностной диффузии появились не более сорока лёт назад. Часть работ, опубликованных за этот период, посвящена изучению самодиффузии и методам ее исследования, другая часть охватывает процессы гетеродиффузш, в основном, на поверхностях металлов и диэлектриков. Доля работ посвещенная исследованиям поверхностной гетеродиффузш на АЧП полупроводников сравнительно мала. Однако, структура поверхности полупроводников и скорость поверхностной диффузии (ПД), являются определяющими характеристиками процессов в таких бурно развивающихся технологиях, как молекулярно-лучевая эпитаксия и газофазная эпитаксия из металлоорганичвских соединений.

Одной из перспективных задач полупроводниковой технологии является создание многослойных эпитаксиальных структур с различными электронно-оптическими свойствами отдельных слоев, что дает возможность формировать трехмерные интегральные схемы £11 и ноше виды приборов на квангово-размерних эффектах. В кремниевой технологии, например, в качестве эпитаксиального диэлектрика используется соединение Са?а, а в качестве пленок с металлическими характеристиками с успехом применяются ряд силицидов ( N1312 ,Со312. Р1£12). Наименьшее отличие от параметра решетки кремния (0,4%) у дисилицида никеля - Ы1Б12. Кроме того, величина барьера Шоттки

на границе кремния-дисилицнд позволяет создать фотоприемную структуру в области инфракрасного излучения.

До недавнего времени, часть поверхностных структур, индуцированных неконтролируемой примесью никеля, относилась к структурам чистой поверхности кремния. Следовательно, представляет интерес детальное исследование многообразия пов&рхностнпх структур и фазовых переходов на различных поверхностях кремния при участии атомов никеля.

Цель данной работы - исследование с помощью охе-электронной спектроскопии (ЭОС) и дифракции медленных электронов (ДОЭ) процессов диффузии никеля по поверхности кремния.

Определение численных параметров процесса диффузии никеля на гранях (111), (110) и (100) кремния и на поверхностях с различной поверхностной структурой.

Установление зависимости ыехду структурой поверхности и концентрацией никеля на ней.

Научная новизна: 1 .Установлен механизм формирования примесннх поверхностных структур, индуцированных никелем на сингулярных и вищшальных (111) поверхностях кремния. Образование примесша поверхностных структур происходит в процессе охлаждения образца при поступлении атомов никеля из объема кремния.

2.Впервые экспериментально установлено, что коэффициенты диффузии примесп в объеме кристалла могут на несколько порядков превышать величину коэффициентов диффузии примеси по поверхности.

3.Показана последовательность изменения формы, .плотности и высоты островков дисилмэдца никеля по мере накопления никеля на поверхностях (111), (110) и (100) кремния. На гранях (110) и (100) наблвдается анизотропия роста островков.

4.Показано влияние скорости охлаждения и повторного отгига в диапазоне температур 400-700°с на форму, плотеость островков и структуры поверхностей. Установление, что при одинаковой температуре на трех исследованных ориентациях кремния быстрее всего поверхностные процессы протекают на грани (100), более медленно на (110) и медленнее всего на поверхности (111). В процессе повторного отнята на всех исследовавши гранях кремния примесные поверхностные структуры переходят в структуры с более низким содержанием никеля, а освободившиеся . атомы никеля

локализуются, в островках дисилииидз.

5.Показана последовательность изменения структур проверхностей сингулярных и вицинальных (ill) граней кремния по мере увеличения концентрации никеля.Нз поверхности (110) кремния обнаружены новые поверхностные структуры Si (110)-5х8 и SK 110)-5г9, индуцированные никелем.

6. Исследованы фазовые перехода на чистых вицинальных (111) поверхностях кремния и поверхностях, содержащих никель. Показано, что появление ступеней высотой в два мегшгаскостных расстояния связано с малым количеством никеля на поверхности.

7. Обнаружен электроперенос капель расплава N1-S1 по поверхности кремния при температурах отжига выше 960°С.

На защиту выносятся: 1 .Результаты экспериментального исследования диффузии никеля вдоль поверхности, кремния.

2. Результаты исследования стадий формирования остроЕков дисилицвда никеля на лоперхвостях (111), (110) и (100) кремния при поступлении киселя из объема кремния.

3.Результаты исследования влияния скорости охлаждения и' повторного отжига на структуру и морфологию поверхностей (111), (110) и (100) кремния.

4.Результаты исследования процессов фазовых переходов на чистых и содерзсзвдх никель кпушальных гранях (111) кремния.

5.Результата экспериментального исследования воздействтгя никеля на структуры поверхностей сингулярных (111), (110), (100) и вицинальных (111) граней кремния.

Практическая ценность:

Установление факта преимущественного массопереносо никеля по объему кремния з процессе отгига меняет традиционные представления о более бистром (по сравнения с объемом) распространена: примеси по атомарно-чистой поверхности кристалла.

Предложен алгоритм обработки экспериментальные точек диффузионных распределений с одновременным определением величины коэффициента диффузии и значения максимальной концентрации примэсп на 1раннце источника примеси. Необходимость опрэделения максимальной концентрации на границе источника вызвана некорректностью в некоторых случаях определения параметров

диффузии традиционным способом - по движению Фрсвтз постоянной концентрации в процессе отжига.

С помощью электронной оже -спектроскопии определены уровни концентрации никеля, при которых изменяются структуры чистых поверхностей на различных гранях кремния и происходит смена примесных структур. Определены интервалы температур к условия существования ряда сверхструктур, индуцированных примесь» никеля.

Дано объяснение процессам, происходящим на поверхностях, " содержащих щжмесь никеля, при изменении температуры отхига.

Получены данные об изменении форма, плотности и толздшы островков дисилицида при повышении температура роста и концентрации никеля на поверхности. Эта информация мояет быть использована в полупроводниковой технологии при создании фотоприемников и транзисторов с проницаемой базой на оснозе дисилицяда никеля.

Предложен способ определения коэффициентов поверхностной гетеродиффузик с помощью электронной озе-спектроскопии при диффузии пришел на островки в отсутствии анизотропии диффузии к наличии данных о плотности островков.

Апробация работы: Основные результаты исследований докладывались и обсухдались на: VII международном семинаре социалистических стран по электронной спектроскопии (Болгария, Бургас, 1988 г.); Седьмой всесоюзной конференции по росту кристаллов ( Москва,

1988 г.); Всесоюзной конференции "Поверхность - 83" ( Москва,

1989 г.); Всесоюзном семинаре по молекулярно-лучевой эштаксии (Новосибирск, 1990 г.).

Структура и объем диссертации- Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения с выводами и списка литературы. Полный текст занимает 232 страницы включая 76 рисунков, 6 таблиц и список литературы, состоящий из 151 налмезовэнкя.

СОДЕКШШЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы, сформулирована цель работы, изложено краткое содержание диссертации. приведены защищаемые положения, научная новизна и практическая ценность.

3 первой r.isse провален обзор литератур» по вопросам, касающихся особенностей поверхностной гетзродиффу&ии, методов ее доследования ^арьообраз::« ирп/ескых поверхностных структур на различных гра-'.ю' v^^rain.

В первом разделе оп-юяньт летали рельеф? поверхности кристалла, г.; у;-гтдк~ гч процесс лоьерхно ттной лмй^у&кп- В частности, анизотропном;.' |>зспространз»;:-) веществ"! споссоечвуст атомззя и естественная шсрсхоъ-атость поверхности. Наличие отеков для частиц адсорбата к рзъяяное состояние «ршов^рзгаостного слоя изменяет динамику массопереноса пс гюверхпс ста. 3 разделе описаны теоретические провеса поверхностной дч-йфузик, возводящие

учесть кспарэнке адсорбата :: адсорбата в объьм кристалла.

Обращено внимание на актуэ^ассть учета диффузии в обьоц кремния быстро диффуняд^тда гжнчзеха-гг элементов I.VIII ipynn таблтдщ Менделеева (Le, ¿u m;?:í Si, Fe). В работе обосновывается необходимость тт. ?i;e-neinm мечевмальясй копцэнтрацш: при-:зси на границе т:стомш_-'.а дг-йхйуз-ззта, в противное случае коэффициенты ди^тйузии к энергия активация дплфузж у о гут бить определена со значительной сгибкей.

Во втором разделе еппзаш метода исследования и особенности процесса г.:-вэрхносшой тетерс-даффурип (азизотропное распространение примеси, образование примесных сверхструктур, взаимодействие частиц адсорбата мохду собой и т.д.). В нескольких экспериментальных работах показано, что кос<фкцпенты диффузии примеси з объеме кристалла i.soro меньше коэффициентов диффузии пркмеенкх атомов по повэрхносга.

В третьем разделе дано описание поверхностей кремния, Еа которых проводились исследования в . данной работе. . Чистке поверхности (!11) к (100) характеризуются поверхностными структурами SI (11 i)-7х? и Si(i 00)-2x1 соответственно. На плоскости (110) в Зськскуости от способа приготовления чистой поверхности разные автора иаблвдалн до десяти поверхностных структур. Как оказалось, существование части: структур связана с наличием кз поверхности принеси никеля, В настоящее время за чистую поверхность (110) пришагают поверхность со структурой j** ü . Отклоненные от (¡11) в направлении 1211 ] поверхности при комнатной •температуре представляли собой равномерно распределеяныо по

поверхности ступени высотой в три метлоскостных расстояния - 3dui. Поверхности, отклоненные в противоположную сторону в [211], по данным одних авторов, представляли собой равномерно распределенные ступени высотой в два межплоскостных расстояния - 2diit, по мнению других автороз, поверхность состоит из протяженных террас (111), разделенных участками со ступенями высотой - 1<311д-

В четвертом разделе проведен анализ примесных поверхностных структурна гранях крегшия (111), (110) и (100), индуцированных разными химическими элементами. Вид примеси, концентрации и температуры образования структур представлены в виде таблицы.

Во второй главе7 в разделе, посвященном методу электронной оже-спектроскопик (ЭОС), дана характеристика параметров, определяющих величину озе-снгнала, приводится принятая форма обозначения ожэ-пикоз. Более подробно .изложена проблема количественного анализа составг поверхности. Наиболее достоверную информацию о составе получают при использовании метода эталонов, при условии сохранения . стехиометрии прнпозерхностного слоя, У реальных объектов исследования поверхность далека от идеальной модели, что значительно усложняет количественный анализ.

Во втором разделе описаны метод дифракции медленных электронов (ДМЭ) и основные принципы формирования дифракционных картин от гладких и ступенчатых поверхностей. Объясняется причина расщепления .рефлексов (образование мульткплетов) при дафракции от ступенчатой поверхности. Описывается способ определения высота ступеней по зависимости пространственного положения дифракционных рефлексов от энергии электронов.

Подготовка поверхности образца, формирование источника диффундирушего никеля, особенности проведения диффузионных отжигов и измерений описаны в третьей части.

Пластинки кремния 20 х 5 х 0,4 мм3 разной ориентации, вырезанные из слитков кремния марок КДБ-1 и КЭФ-7,5, проходили ; стандартную химико-механическую обработку до получения зеркальво-гладкой поверхности. С этого момента образцы тщательно предохранялись от контактов с никелесодержащей оснасткой технологического оборудования. Для удаления нарушенного слоя после полировки, проводилось глубокое окисление кремния. Окисел стравливался в концентрированной плавиковой кислоте перед

помещением oopai-coB в вакуумную камеру. Образцы закреплялись в держателе с помощью кремниевых прокладок, для исключения прямого контакта разогретого образца с металлически.! з^хг-яламк держателя. Атомарно - чистая поверхность получалась поело OTV.:~\a образцов при 1200°С ! -Z ни;, в вакууме 1'10"°Па. 0-разцк прогревались . прямом пропусканном постоянного или переменного тока.

Никель иапнлялся на чистую поверхность при комнатной температуре в полоски сириной 1мм. Толщина напыленного слоя составляла десятки нм, что требовалось для создания источника примеси больной (неограниченной) мощности.

Диффузионные отжига образцов кремния с полоской никеля проводились в диапазоне температур 720-1050°С в вакуумной камере установки LAS-2000 фирмы RIBER (Франция). Времена отяига менялись от десятков секунд до нескольких часов, а максимальная скорость охлаждения составляла « 150°С/с и достигалась при естественном радиационном охлаждении после выключения тока нагрева. Изменение концентрации никеля вдоль поверхности - С(х) контролировалось ояе-спектрс.четром. с нагом >50мкы по гмплктудо пика "1^^048 эВ. С помощью ДМЭ регистрировалось изменение структура поверхности вдоль зависимости С(х). Часть образцов после извлечения из вакуума исследовалась методами золото-угольных реши::, растровой электронной микроскопии (РЭМ) и дифракции быстрых электронов на просвет и на отражение.

В тоотьей глазе описывается поведение источника никеля при повышении текператури, показан механизм формирования поверхностных распределения никеля и сделана оценка величхпш коэффициента поверхностной диффузии никеля на грани (111) кремния.

Процесс фазообразовааия в тонких (<100 нм) пленках никеля на чистой поверхности кремнкя при повышении температуры отличается от классической схемы последовательного образования силицидов разного состава. Прогрев образца с полоской никеля yse при температуре 300-350°С приводил к образованию на месте полоски дисилицида никеля - N1S12. Изменение фазового состава источника никеля не происходило вплоть до температуры 950°С, при которой дисилицид плавился с образованием капель размером десятки - сотни мкм. Капли расплава N1-S1 двигались со скоростью 5-10 шаг/с к положительному полюсу источника при прогреве образца постоянный током.

Исследования гттзфузиовязз распре да.-.ензй шв:еад на различных поверхностях кремния показали, что зависимость поверхностной концентрации - СМ1 (х) подчиняется классическому ур^заекиа диффузии для источника постоянной модности (С = сопзг) при отсутствии испарения и оттока адоорбата в объем кристалла:

см1(х) = соегГС! } <>>

где X - расстоян:ле_от источника, Э - коэффициент диффузии, t - время отаскгз.

Получая профили распределения шкеля после отжига при различных температурах ¡ложно построить температурную зависимость коэффициента диффузии к вычислить энергию активации диффузии, однако, при более высоких теьсзературая определить величину Со по экспериментальным зависимостям не удается из-за искажений профилей концентрации. Искажения профилей (ужньгение к немонотонность изменения сигнала еикеля) по данный P3.Y5 связаны с образованием вблизи полоски никеля зпитаксиальшз сстрозкоз дисллицвда никеля с плотностью 5*1Odcw~2. в трехмерных островках сосредоточено основное количество поверхностных атоыов никеля, но островки занимает лишь 5-7% общей площади поверхности. Охе-сигнал от такой поверхности не дает правильной информации о поверхностной концентрации никеля. Применение ЭВМ для обработки озе-снгналов от участков поверхности, не содержащих островки, позволило не только вычислить величину Со, но и повысить точность определения коэффициента диффузии - D. Разработанный алгоритм вычисления Сс и D приведен в тексте диссертации.

Полученная температурная зависимость коэффициента диффузии описывается уравнением:

D = Do ехр ( -Е/кТ )

где Dc= г,4-10"эсы2/с, Е = 0,32 эВ

Измеренные значения коэффициентов диффузии не зависели от ориентации и структуры поверхности кремния и по абсолютной величине оказались близки к коэффициентам диффузии никеля в объеме кремния. Объяснить эту особенность помогли специальные

N

iítoitóp'^cñ^r;, r;o?yp'i? ¡^хогнлч:-*? покеаэлл» ¡? процессе

ли^Т.-уз-лск^огс отжига нкке.- ь не pscíipc стреаяетоя по поверхности, а по объему крдошл к г.опзляется на поверхности лишь в чо\:ен? охлаждения образца, благодаря высокой скорости объемной дксрфузим и понижению растворь-юсти никеля в кремнии 1фИ уменьшения тгмпературп. Зффгкт сегрегации примесей в процессе охлаждения можно оцеЕитъ то сашературнгел зависимостям коэффицлента объемной д:гТфуз:г1 л удельной рас-«В0р:5М0сга примеси з кркстзлле , при условии ^утс.'/л испарешя прк»еск ь поззрхноста.

С5ра?.озание oc-tp'Oekoi: дкеклицзд? за время охлааденич "лоаноляет сделать оценку ье/дчшщ коэффициента поверхностной д:йфуз;и никеля на поверхности (111) вблизи 8во"с по выражения:

х2

D ¡S - а: 10 °СМ2/С

4t

где х - половина среднего расстояния меа^у островками (.2-3 мкм); t - время охлаждения образца (несколько секунд).

Полученная величина на четыре порядка меньше коэффициента диЕфузкк никеля в объеме кремчпя, что не укладывается в рамки традиционных представлений о соотношении величин коэффициентов объемной поверхностной даффузии. Такая ситуация характерна для даэлей пары материалов и наблвдалась впервые.

В четвертой главе показано влияние концентрации никеля и режима" термообработок на структуру различных поверхностей кремния.

В процессе охлаждения атомы никеля раньше появлялись на участках поверхности вблизи источника примеси, где их концентрация в объеме была близка к пределу растворимости, затем, по мере снижения температуры - на более удаленных от источника участках. Следовательно, ближе к полоске процесс образования островков и сверхструктур происходил в течение более длительного времени и, в среднем, при более высокой температуре. Следуя вдоль профиля распределения от чистой поверхности к источнику никеля, можно наблюдать своеобразную последовательность образования примесных структур и-островков дасилицвда никеля с момента их разрешения в РЭМ.

Структура чистой поверхности кремния Sl(111 )-7х7 по мере приближения к- источнику никеля плавно переходила в • структуру

sum )-Hi при концентраций металла на поверхности 'зт.'Т.

цонослоя). Ближе к полоске при увеличении концентрации нике."я начинала формироваться структура 51(111) - "'Тэ х - N1,

дифракционная картина от которой становилась, яркой и четкой при концентращи mace ля около &%. На этом участке поверхности с помощью РЭМ различаются первые островки дасилицида никеля неопределенной форму. По мере приближения к напыленной полоске плотность островков проходила чзрзз максимум, высота островков плавно увеличивалась, очертания сначала приобретали форму треугольников, а затем переходили к форме правильных шестигранников.

На поверхности (110) еще до обнаружения инее ля с помощью ЭОС в конце профиля распределения формировалась структура Si(110)-5x8-Kl, описание которой отсутствует в литературе. Расчетная концентрация никеля для такой структуры, исходя из предположения, что каждая элементарная ячейка сверхструктуры должна содержать хотя ба один атом никеля, равняется 1,252, что более чем на порядок визе уровня чувствительности ЭОС по никелю, равного О,IS. Блиге к источнику наблюдалась другая, ранее не описанная, структура S1(110)-5x9-N1, никель на поверхности по-прагнеыу оставался ниже прога чувствительности ЭОС. Около 0,8% никеля на поверхностиj образовывалась структура Sl(H0)-5rl-Hi, затем Sl(110)-2x1-Ni и SI(110)-4x5-Hi при 1,4% и 2,5% соответственно. Одновреиенно с формированием конечной структуры (4x5) на поверхности с помощью РЭМ различаются перше островки дасилицида никеля нитевидной формы, вытянутые в направлении (110]. Резко выраженная анизотропия роста островков уменьшается при приближении к источнику никеля, при этом увеличивается ширина и высота островков, а плотность существенно не меняется.

Заметные изменения структуры чистой поверхности Si(100)-2x1 начинались при концентрации никеля около 0,52. На дифракционных картинах рядом с основными рефлексами появлялись дополнительные рефлексы» которые плавно отходили от основных по мере увеличения концентрации никеля. Таку» структуру обозначает как 2хК, где N плавно меняется от 11 до ^ 7. Перше островки, различимые в РЭМ, нмелл Форму прямоугольников, равновероятно оркентаровавнш: в направлениям £011] и [011). Блике к источнику размеры островков

пропорционально увеличивались. а плотность плавно уменьшалась. Концентрация никеля по ланита ЭОС вдоль всего профиля распределения нэ поверхности (100) не превышала 1,5%, хотя, изменение расчетной концентрации ожидалось в пределах от 4,5 до ■7,12. Влияние малого количества никеля на изменение структуры поверхности можно объяснить тремя возможными причинами:

1 .Атомы никеля находятся в каждой элементарной ячейке примесной структуры, но расположены не на верхней атомной плоскости, а на некоторой глубине мезду слоям! кремния.

2. Атомы никеля не входят б элементарные ячейки сверхструктуры,, а взаимодействуя с поверхностью и точечными дефектами, создают механические напряжения, вызываэдие перестройку поверхности.

3.Атомы никеля не входят в элементарные ячейки, но являются эффективными ловушками для атомов кремния, которые образуются из разруя9ншн димеров структуры 51(1 СЮ )-2х1. В свою очередь, поверхность с периодически расположенными дефектами может сформировать новую ди$ракционную картину-

Исследование влияния скорости охлаждения на состояние поверхности показало, что при медленном охлаздении выходящий на поверхность никель локализуется з крупных (размером в десятки мкм) островках, плотность которых значительно меньше, чем при быстром охлаздении. На поверхности мезду островками • формировались структуры с меньшим содержанием никеля или даже структуры чистых поверхностей кремния. Замедление процесса охлаждения уменьшает поток никеля из объема на поверхность, и дает возможность поверхностным атомам никеля занять равновесные, энергетически выгодные позиции в фазе дисилвдида никеля.

Измерения при повторном отжиге на быстро охлажденных поверхностях с мелкими островками показали, что ниже температуры « 700°С атомы никеля переходят го примесных поверхностных структур в островки дисилицйда, а выше 700°С происходит заметное для ЭОС растворение поверхностного никеля в объеме кремния. Разрушение примесных поверхностных структур и переход никеля в островки на разных гранях начинается при разных температурах и быстрее происходит на поверхности (100), медленнее на (110) и с наименьшей скоростью на (111).

Сток атомов ежеля на островки при нй:->кюс тс»цкраттргс otskts позволил гьгсислкть , в рамках определенных допущений, ксэ>з$иаг.знтк диффуэ»«-; к .у'льртю активации "условной" поверхностной диффузия никеля н& грани (111). которая равна 1.17 зВ. Условность поворхнестпой диффузии вытекает иг цзвозг.:оа:яос?и разделения таких процессов, как - освобождение атомов никеля кз примесной поверхностно? структуры, непосредственный транспорт никеля к островку и встраивание атомов металла в островок. Транспорт никеля к островку возможен, как по поверхности, та:: и по объему кремния, а процесс встраивания в решетку дисилицида могет ограничиваться, диффузией йтоь'.ов крайняя через острое:, или но его поверхности.

Ато1.:г.рно-таст11е noBegXHOcrii, отклонении-? от СГ'П в двух направься7';, л [211 i и [211] на 8° характеризуются обраткмщи фазовыми переходами при изменении температуры. Бше температуры перевода обе поверхности представлял: собой систему ргзноиернс расположенных ступеней высотой в одно мекпяоскостясе расстояние - Поверхность, отклоненная в [211! низе температура

перехода, ргь-ой 870°С, переходит к системе _ступензй. внеотой 3dti . На чистой поверхности, отклоненной ь L211] ниее температура перехода, разной. - 800°С, Ее происходи;-} изменение, высоты. ступеней, но ступени сСадднялись в группы (зиелоны) мехду которыми возникали протя:.;енние террасы поверхности (111). Переход был растянут по температуре ~ на ЗС° и шел гистерезис - призчак фазового перехода первого рода.

Наличие ка отклоненных поверхностях никеля в виде профиля диффузионного распределения приводило к изменению структурк поверхности. lia поверхности, отклоненной в 12111 при концентрации никеля 1,5 - г,8% тюоисходила смена системн ступеней насотой Зс!^, системой ступеней бесотой . Далее, при увеличении концеэтращ-'д; никеля на д-'Л^акцсовнкх картинах появлялись рефлексы от структура* Si(l 11 ж ЛЭ - Hi, одновременно увеличивалось угловое расцепление рефлакеов от участков ступенчатой поверхности. Образование структуры C^Ts х "''13} совпадает с образованием на повбрхьостл иглсобразшгх островков дисилицида, БК7ЯЙУТНХ вдоль ступеней.

Re /;u3jpxBocn5 отклоненной в С211} изменения структур!, поверхности начинались при концентрациях шаселя ннже ■ порог?. -

чувстштельЕОСИ <ЮС. Высота степеней на ступенчатых участках переходила от 1й к 2й , затем ступенчатые участки постепенно покрывал;! равномерно всю поверхность, вытесняя протяженные террасы поверхности (111). При концентрациях никеля выше 2,3% высота ступеней вновь становилась равной i d]it, причем, ступени по-прежнему равномерно покрывали всю поверхность. Образование на поверхности островков при концентрациях выше 4S совпадало с появлением на поверхности протяженных террас плоскости (111) с привесной структурой (УТд х ^Тд).

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Перенос никеля вдоль поверхности кремния осуществляется путем диффузии через объем кремния по междоузлиям с последующей сегрегацией на поверхность. Наблвдаемне поверхностные распределения никеля являются следствием уменьшения растворимости никеля в кремнии в процессе охлаждения и высокой скорости даффузия нз«келя в кремнии.

2. Поверхностная гетеродиффузия никеля может иметь место при образовании упорядоченных поверхностных структур и эпитаксиальных островков дисилшдада никеля. Оцененная величина коэффициентов поверхностной диффузии никеля вблизи 8бО°С на четыре порядка меньае величины коэффициентов диффузии никеля через объем кремния, что наблюдалось впервые и характерно только для данной пары материалов. '

3. Измерена теипературная зависимость, коэффициента диффузии никеля вдоль поверхности кремния, которая описывается выражением D = 2,4- 10_3ехр(-0,32/М}) и близка к зависимости для объемной диффузии. Максимальная концентрация никеля на границе источника Со прямо пропорциональна растворимости никеля в объеме кремния и описывается выражением: Со= 3*106ехр(-1,28/КТ). .

4. Наличие никеля на поверхности кремния вызывает образование различных поверхностных структур. Установлены корреляции между концентрациями никеля и структурами граней (111), (110), (100) и бйцйвзльеых (111) поверхностей кремния.

5. На поверхности (110) обнаружены ранее не наблвдавшиеся

поверхностные структуры SK1 iO)-5x6-Ni и 51(i iO)-5x?-Ni. Эта структуры формируются при концентрациях никеля ниже порога чувствительности оже-спектрометра равней 0,1% монослоя. По данным оке-спектроскопии поверхностные концентрации никеля, приводящие к формированию некоторых поверхностных структур, значительно меньше концентраций, рассчитанных из предположения, что каждая поверхностная ячейка содержит хотя бы один атом никеля.

6.Режим охлаждения образца определяет не только количество никеля на поверхности, но и его фазовое состояние. Никель на поверхности. ыохет находиться в двух состояниях - примесной поверхностной структуре и островках дисилицида. В процессе медленного охлаждения или повторного низкотемпературного отжига происходит переход примесных поверхностных структур в структуры с более низкш содержанием никеля, а освободившиеся атомы металла локализуются в островках дисилицвда никеля.

7. Процессы роста островков и разрушения примесных сверхструктур при одинаковой температуре отжига с наибольшей скорости» протекают на поверхности (100), медленнее на (110) и с наименьшая скоростью - на (111) поверхности кремния.

8. Исследования поверхностных профилей распределения киселя с помощью РЭМ позволили установить стадии образования островков дисилицида по мере накопления никеля на поверхностг.. На гранях (100) и (110) наблэдается анизотропия роста островков, возрастающая за (110) при понижения температуры роста.

9.Чистые вицинальные поверхности ,-,(111), отклоненные в противоположных направлениях £211] и 121 1j, термодинамически нестабильны и характеризуются обратимыми фззовши переходами при температурах 870°С и СОО°С соответственно. Наличие атомов никеля на поверхности приводах к изменены структуры поверхности и появлении дополнительных фазовых переходов, температура и обратимость которых определяется количество!.: никеля на поверхности.

Ю-Образование ступеней высотой в два мехплоскостннх расстояния на поверхностях, отклоненные от (111), связано с присутствие:? ез поверхности малых концентраций атомов иже ля.

Основные результаты диссертации изложена в следующих работах:.

1 .Eolbak А.Е., Olshsnetsky B.Z., Stsnln S.I., Теуз S.A. and Gavrilova T.A. Effect o* nickel on clean silicon surfaces: transport anà structure.-- Suri.Sci., 1989, v.218, ÎI 1, p.37-54.

.2.тийс C.A., Долбак А.П., Гаврилова Т.А., Олыканецкий Б.З., Стенин С.И. Поведение никеля на атомарно-чистой поверхности Sl(111) : транспорт :: структура. - Поверхность, 1989, К 2, с.91 -99.

3.Тийс C.L., Долбзк А.Е., Гаврилозз Т.А., ОльзязецкиЙ Б.З.. Стешя C-.il. Исследование переноса никеля вдоль поверхности Kps'csin (Ml) методом электронной опе-спектросксгпш. - Известия по хнм^к, Болгарская академия наук, 1989, т.22, H 3/4, с. 506-612.

4.Долбак A.S., Гаврилсвз 'Г.А., Ольаанецкий Б.З., Стенин С.И., Тийс с.А. Ловерхностзпе структуры, индуцируемые никелем на чистых поверхностях (100) и (110) кремзия.- Поверхность, 1990, N 11, с.76-33.

S.OlshanetsKy B.Z. and îeys S.A. Phase transitions on clean and nltel containing vicinal Si (111) surfaces.- Suri .Sel. ,1990, 7.230, M 1, p.184-196.

6.Doltak A. E., Olshanetsby B. Z., Stenln S. I., leys S.A., Gavrilora T.A. The initial stage3 ol îIiSl2 epitaxy on clean Sl(111), Si(100) and Si(110) surfaces.- Suri.Sci.,1991, v.247, N 1, p.32-42.