Эллипсометрический контроль параметров многослойных наноструктур Fe/Si в процессе роста

В последние годы наблюдается повышенный интерес к исследованиям тонких пленок соединений железа и кремния на полупроводниковых подложках, что обусловлено новыми физическими свойствами этих структур и перспективой их использования в устройствах электроники [1; 2], которые могут найти также применение в космической технике. В частности, полупроводниковый силицид железа β -FeSi₂ благодаря наличию в своей структуре областей с низкой электронной плотностью является более устойчивым к ионизирующему излучению в открытом космосе по сравнению с другими полупроводниками [3].

Толщины формируемых пленок в таких структурах могут варьироваться от долей до десятков нанометров. Обычно технологические параметры роста выбираются посредством предварительных калибровок, которые могут значительно изменяться в процессе роста. В связи с

Жарков С. М., Овчинников С. Г., 2018

этим существует необходимость контроля толщины отдельных слоев структуры в процессе их формирования. Поэтому важным является вопрос контроля параметров растущих наноструктур в процессе их формирования. Эффективным для таких целей является метод эллипсометрии.

Полученные результаты и их обсуждение

В данной работе для изучения морфологии и состава на интерфейсах Fe/Si и Si/Fe в многослойных структурах железо/кремний была получена структура [Si/Fe57/Fe56]3/SiO2/Si(100). Напыление многослойной структуры системы (Fe/Si)3/SiO2/Si(100) производилось методом термического испарения в сверхвысоком вакууме. Подробное описание метода можно найти в работе [4].

На рис. 1 представлен общий вид экспериментальной эллипсометрической номограммы, характеризующей синтез многослойной структуры (Fe/Si)3/SiO2/Si(100). Эллипсометрические измерения проводились с помощью лазерного эллипсометра ЛЭФ-751М [5]. После выгрузки

Эллипсометрический контроль параметров многослойных наноструктур Fe/Si в процессе роста указателями отмечены начало и конец синтеза каждого слоя. Анализ полученных экспериментальных данных проводился путем решения обратной задачи эллипсометрии в программе SingleW [6].

полученного образца проводились исследования методом просвечивающей электронной микроскопии. На рис. 2 представлено электронно-микроскопическое изображение поперечного среза многослойной структуры (Fe/Si)3/SiO2/Si(100).

Рис. 1. Общий вид экспериментальной эллипсометрической номограммы, характеризующей синтез многослойных структур. Вставка 1 представляет собой увеличенный вид участка BCD общей элллипсометрической номограммы, вставка 2 – EFGHI части

Анализ поперечного среза образца дает

Таблица 1

Результаты анализа поперечного среза образца методом просвечивающей электронной микроскопии

Рис. 2. Электронно-микроскопическое изображение поперечного среза многослойной структуры (Fe/Si)3/SiO2/Si(100)

№ слоя	Наименование	Толщина, нм
1	Подложка Si
2	SiO 2	1,5
3	Fe	10,4
4	Si	1,7
5	Fe	7,5
6	Si	1,7
7	Fe	8,3
8	Si защитный слой	30
9	Клей

Чтобы оценить толщину оксидного слоя по данным одноволновой эллипсометрии была применена однослойная модель изотропной пленки с идеальными границами раздела. В вычислениях использовались известные из литературы данные о комплексном показателе преломления для SiO₂ ( n = 1,457) [7] и оптические постоянные кремниевой подложки ориентации (100) n = 3,872 и k = 0,016 [8]. В результате расчета получаем толщину 1,6 нм при угле падения излучения φ = 69,08º. Данные по толщине оксида кремния хорошо согласуются со значением толщины, полученным методом просвечивающей электронной микроскопией (ПЭМ) ( d _SiO2=1,5 нм).

Для расчета изменения показателей пре- следующие результаты толщины слоев синтезированной структуры (табл. 1).

Таким образом, общая толщина многослойной (Fe/Si)3 пленки (слоев 2-7) равна 31,1 нм. Толщина слоев Fe (3, 5 и 7) равна 26,2 нм.

Для определения значения общей толщины нанесенного железа производился также рентгеноспектральный флуоресцентный анализ (РСФА). По данным РСФА общая толщина пленок железа составила 23,4 нм.

Для расчета оптико-геометрических параметров многослойной структуры (Fe/Si)3/SiO2/ Si(100) были использованы эллипсометрические данные, представленные на рис. 1. На графике ломления и поглощения синтезируемых пленок формировалась семислойная модель, где каждый слой представляет собой изотропную однородную пленку с идеальными границами раздела. Найденные значения оптико-геометрических характеристик каждого предыдущего слоя используются для расчета характеристик последующего. Принимая во внимание специфику работы используемого программой алгоритма, а также численного метода, применяемого для расчета, мы использовали набор нулевых приближений для старта вычислительных процедур: NFe = (2,5 – 2,9) – (2,9 – 3,2)i для железа [9] и NSi = (3,4 – 3,8) – (0,4 – 0,9)i для аморфного кремния [8].

АППАРАТЫ И

№ 4 (26) 2018

Том 2

При расчете для каждого последующего слоя использовались значения медиан толщины и комплексного показателя преломления, рассчитанных для предыдущего слоя. Таким образом, были получены следующие значения: d _Fe3 = 10,7 нм, d _Si4 = 3,6 нм, d _Fe5 = 7,3 нм, d _Si6 = 3,1 нм, d _Fe7 = 5,2 нм, d _Si8 защитный слой = 32,4 нм. Общая толщина Fe/Si пленки (слоев 2–7) составила 29,9 нм. Общая толщина слоев Fe (3, 5 и 7) составила 23,2 нм.

Как видно, полученные результаты расчетов толщины хорошо согласуются с данными 222 по толщине для двух слоев железа – первого и второго (табл. 1), а также для толщины защитного слоя кремния, полученными в результате обработки изображения ПЭМ (рис. 1). Однако они имеют плохую согласованность со значением толщины третьего слоя железа и двух кремниевых прослоек.

К разнице результатов по определению толщин кремниевых прослоек могла привести большая погрешность определения толщины по данным просвечивающей микроскопии, так как кремний достаточно активно участвует в процессах силицидообразования на границах раздела железа и кремния. Так, в работе [10] показано, что интерфейс на границе Si-на-Fe составляет порядка 1,3 нм, а на границе Fe-на-Si – 0,7 нм, т.е. часть кремния может уходить на формирование фаз силицида, тем самым сокращая объем чисто- го кремния.

толщина третьего слоя может быть как меньше, так и больше толщины второго слоя железа.

Рис. 3. Электронно-микроскопическое изображение поперечного среза образца в инвертированном цвете. Меньший масштаб. Буквами A1,2,3, B1,2,3, C1,2,3 обозначены толщины слоев Fe в различных положениях

В табл. 3 приведены значения толщин пленок железа в трех различных положениях. Их толщина оценивалась без учета кремниевых слоев.

Таблица 3

Сравнение значений толщины слоев железа структуры (Fe/Si)3/SiO2/Si(100), извлеченных из анализа изображения, полученного методом ПЭМ (рис. 3)

Сравнение значений толщины слоев структуры (Fe/Si)3/SiO2/Si(100), полученных методами эллипсометрии и ПЭМ

Слой	Толщина по ПЭМ, нм	Толщина по эллипсометрии, нм
2 – SiO 2	1,5	1,6
3 – Fe	10,4	10,7
4 – Si	1,7	3,2
5 – Fe	7,5	7,3
6 – Si	1,7	2,8
7 – Fe	8,3	5,2
8 – Si	30	32,4

На рис. 3 приводится изображение ПЭМ поперечного среза в меньшем увеличении. Хорошо видна неравномерность покрытий по толщине:

Таблица 2

	1	2	3
A	13,9 нм	12,0 нм	12,0 нм
B	13,2 нм	11,4 нм	9,1 нм
C	9,1 нм	10,9 нм	13,2 нм

Хорошо видно, что толщина пленок железа неоднородна по длине поперечного среза. Таким образом, для более качественного сравнения результатов ПЭМ и эллипсометрических вычислений необходимо брать среднее значение толщины пленок, полученных с площади около 3 мм2, что является затруднительным.

Рассмотрим результаты вычислений для конечных значений показателей преломления и поглощения сформированных пленок. Полученные конечные значения для оптических постоянных ( λ = 632,8 нм) пленок железа ( n _Fe1 = 2,78, n Fe2 = 2,87, n Fe3 = 2,79, k Fe1 = 3,18, k Fe2 = 3,48, k _Fe3 = 3,18) очень близки к известным в литературе данным ( n _Fe = 2,90, k _Fe = 3,07) [9] и незначительно отличаются друг от друга.

В свою очередь, пленки кремния характеризуются значительным отличием вычисленных оптических постоянных. Так, первый слой крем-

Эллипсометрический контроль параметров многослойных наноструктур Fe/Si в процессе роста ния имеет несвойственный ему высокий показатель поглощения kSi1 = 1,26, а показатель преломления очень близок к показателю преломления железа nSi= 2,71. Мы предполагаем, что данный слой представляет собой градиентный твердый раствор железа-кремния и силицидов железа, с большим содержанием железа вблизи межслойной границы. Наличие переходных слоев подтверждается исследованиями методом малоуглового рентгеновского рассеяния [10]. Второй слой кремния характеризуется более близкими к показателям преломления и поглощения аморфного кремния nSi2 = 3,25, kSi2 = 0,43 [8]. А третий слой наиболее близко соответствует оптическим свойствам аморфного кремния nSi3 = 2,85 и kSi3 = 0,25. Что логично, поскольку его толщина слишком велика для того, чтобы градиент состава у межслойной границы мог оказывать существенное влияние на оптические свойства рассматриваемой пленки.

Заключение

Таким образом, в результате анализа данных одноволновой лазерной эллипсометрии, полученных в процессе формирования структуры [Si/Fe57/Fe56]3/SiO2/Si(100) и последующего ее исследования методом ПЭМ, были получены сведения об оптических и структурных свойствах данной структуры. Рассчитанные значения конечной толщины сформированных пленок хорошо согласуются с результатами РСФА исследований. Общая толщина сформированных слоев железа по результатам эллипсометрии составляет 23,2 нм, по результатам РСФА – 23,4 нм. Небольшое отличие в толщине слоев по данным ПЭМ (dFe = 26,2 нм) связано, по всей видимости, с особенностями экспериментальных методов. Эллипсометрия и РСФА относятся к интегральным методам анализа, в то время как ПЭМ – метод локального анализа.

Показано, что формирование пленок железа в структурах данного типа носит сложный характер с разнообразием процессов эволюции морфологии поверхности. При этом обнаруживается сильная зависимость структурных и оптических свойств слоев железа от качества по-

верхности, на которую выполняется осаждение материала.

Согласно изменению оптических свойств в процессе роста, кремниевые прослойки с толщиной около 2 нм представляют неоднородную по составу матрицу, содержащую аморфный кремний и характеризующиеся высоким коэффициентом поглощения твердые растворы и аморфные формирования системы Fe/Si.

Работа выполнена при финансовой поддержке программ Президиума РАН № 32, проект 03562018-0061, Министерства образования и науки Российской Федерации и Сибирского отделения Российской академии наук, проект II.8.70.