Диссертация (1149928), страница 11
Текст из файла (страница 11)
В этойсвязи,былитакжепроведеныисследованияметодомфотоэлектроннойспектроскопии высоких энергий (HAXPES), который является неразрушающимметодом послойного анализа фазового и химического состава многослойныхнаносистем.Интенсивность (отн.ед.)82Ehv=700 эВSTO(15нм)/Si3N4/Si468Ti2p3/2Ti2p1/2466464462460458456Энергия связи (эВ)Рисунок 3.14. Ti 2p РФЭС и его разложение для образца SrTiOx(15нм)/Si3N4/Si,записанный при энергии возбуждающих фотонов 700 эВ и нормальном углеэмиссии.Была проведена оценка длины свободного пробега электронов (λ i) дляструктур SrTiOx, SiO2, HfO2, Si3N4 и Si в зависимости от кинетической энергиифотонов (Екин) при использовании, формулы «TPP-2M» (см.
Главу 1.) [115].Результаты данной оценки представлены на рисунке 3.15.Оценить максимальную глубину, с которой можно зарегистрировать сигнал врентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, в случае однородной пленки,можно с помощью формулы:P (d ) ed cos( ),(25)83где P(d) – вероятность выхода фотоэлектрона с глубины d, θ – угол эмиссии,отсчитанный от нормали к поверхности (рисунок 3.16). Зависимость P(d) в SrTiO3при фиксированной энергии фотонов (4100 эВ) и разных углах эмиссии электроновпредставлена на рисунке 3.17.Длина свободного пробега i (нм)2018HfO216SiO214SiSrTiO312Si3N4108642200040006000800010000Кинетическая энергия электронов (эВ)Рисунок 3.
15. Зависимость длины свободного пробега от кинетической энергииэлектрона для SrTiOx, SiO2, HfO2, Si3N4 и Si.84Рисунок 3.16. Эмиссия фотоэлектронов из твердого тела, возбужденных фотонами сэнергией hν.100Ehv=4100 eVВероятность выхода P(d) (%)90010 020 0300408070050600605040302010004812 16 20Глубина d (нм)2428Рисунок 3.17.
Зависимость вероятности выхода фотоэлектрона P(d) с глубины d вSrTiO3 при энергии возбуждающих фотонов 4100 эВ и разных углах эмиссииэлектронов.85Традиционно глубина зондирования (по нормали к поверхности) определяетсякак три длины свободного пробега фотоэлектронов, т.е. глубина, на которойформируется 95% полезного сигнала:d 3 sin( ) ,(26)где λ- длина пробега электронов, ϑ- скользящий угол падения.Согласно проведенным расчетам, использование энергии возбуждающихфотонов порядка 4000 эВ обеспечивает сканирование рассматриваемых системSrTiOx/B/Si с пленкой толщиной 15 нм по глубине при достаточном энергетическомразрешении.На рисунке 3.18 приведены обзорные РФЭС спектры для структурSrTiOx(15нм)/B/Si (B= SiO2, HfO2, Si3N4), измеренные при энергии возбуждающихфотонов 4100 эВ.
Также были измерены детальные С 1s, O 1s, Ti 2p и Sr 3dфотоэлектронные спектры.Как видно из рисунка, интенсивность C 1s пика фотоэлектронного спектра,измеренного при энергии фотонов 4100 эВ, достаточно низкая, что связано сбольшойглубинойпроникновенияввеществовозбуждающихфотоновврассматриваемом случае и, как следствие, маленького вклада от поверхностныхзагрязнений в общий спектр.Сравнительный анализ Ti 2p фотоэлектронных спектров показал, что Ti 2pспектры для структур STO(15нм)/B/Si, измеренных при энергиях возбуждающихфотонов 700 эВ и 4100 эВ после нормировки на сечение фотопоглощения, функциюпропускания анализатора и на фактор асимметрии [118], оказались практическинеразличимы.86Интенсивность (отн.ед.)Ehv=4100 эВSTO 15 нмO1s600SiO2HfO2Si3N4Sr 3pC 1sTi 2p Sr 3sSr4sSr 3d Ti3pSr4pO2sTi3s5004003002001000Энергия связи (эВ)Рисунок 3.
18. Обзорные рентгеновские фотоэлектронные спектры для образцовSrTiOx(15нм)/B/Si (B: SiO2, HfO2, Si3N4), измеренные при энергии возбуждающихфотонов 4100 эВ и угле эмиссии электронов 10⁰.На рисунке 3.19 приведены Sr 3d фотоэлектронные спектры для системSTO(15нм)/B/Si, измеренные при энергии возбуждающих фотонов 4100 эВ и углеэмиссии 10˚ и их разложение. Все спектры были нормированы на сечениефотопоглощения, фактор асимметрии [118] и функцию пропускания анализатора.Анализ Sr 3d РФЭС и их разложений (рисунок 3.19) позволил установитьследующие закономерности:1) все пленки содержат в своем составе SrCO3;2) в пленке SrTiOx, выращенной на интерслое Si3N4, отмечается повышенноесодержание атомов Sr, по сравнению с другими пленками STO;873) в пленках, выращенных на Si3N4 и HfO2 интерслоях, присутствуютпониженные степени окисления стронция, отмеченные на рисунке 3.19 как Sr*, чтосогласуется с выводом, сделанным при анализе NEXAFS спектров о том, что толькопленка, выращенная на SiO2 интерслое, является стехиометричной SrTiO3 пленкой.Две другие пленки имеет структурные нарушения.STO 15 нмИнтенсивность (отн.ед.)SiO2Si3N4HfO2Sr3d5/2Sr3d5/2Sr3d3/2Sr3d3/2Sr3d5/2(SrTiOx)(SrTiOx)(SrCOx)(SrTiOx)Sr3d3/2(SrCOx)(SrCOx)(Sr*)Eh=4100 эВ(Sr*)(Sr*)138 136 134 132 130 138 136 134 132 130 138 136 134 132 130Энергия связи (эВ)Рисунок 3.19.
Sr3d фотоэлектронные спектры для систем STO(15нм)/B/Si (B: SiO2,HfO2, Si3N4), измеренные при энергии возбуждающих фотонов 4100 эВ и углеэмиссии 10˚ и их разложение. Sr* обозначает пониженные степени окислениястронция.Выявленные закономерности хорошо согласуются с закономерностями,установленными при анализе спектров, измеренных методом традиционнойфотоэлектронной спектроскопии. Учитывая глубины, с которых была получена88информацияприиспользованииметодовтрадиционнойфотоэлектроннойспектроскопии и спектроскопии высоких энергий, можно сделать вывод о том, чтоSrCO3 формируется в приповерхностной области пленок SrTiOx, причем толщинаслоя SrCO3 различна и зависит от химического состава интерслоя.
Минимальноесодержание SrCO3 прослеживается в пленке, синтезированной на SiO2.ПрименительнокрассматриваемымсистемамSrTiOx/B/Siосновнымпреимуществом метода фотоэлектронной спектроскопии высоких энергий являетсявозможность изучения интерфейса на границе между SrTiOx пленкой и кремниевойподложкой. На рисунке 3.20 приведены Si 2p РФЭС, измеренные для образцовИнтенсивность (отн.ед.)SiO2STO15 нм Si3N4Si2p3/2Si2p3/2Si2p1/2(Siподложка)(SiO2)HfO2 Eh=4100 эВSi2p3/2Si2p1/2(Siподложка)(Si3N4)(SiO2)Si2p1/2(Siподложка)(SiO2)104 102 100 98 104 102 100 98 104 102 100 98Энергия связи (эВ)Рисунок 3.20.
Si 2p фотоэлектронные спектры и их разложение для системSrTiOx(15нм)/B/Si (B: SiO2, HfO2, Si3N4). Спектры были измерены при энергиивозбуждающих фотонов 4100 эВ и угле эмиссии 10˚.89SrTiOx(15нм)/B/Si при энергии возбуждающих фотонов 4100 эВ и угле эмиссии 10º.Здесь же приведены разложения измеренных спектров.
Во всех Si 2p спектрахпрослеживается пик, расположенный при энергии 102.4 эВ, соответствующий Si 2pсостоянию кремния в структуре SiO2 [43, 83], причем его интенсивность различна вразных спектрах. Видно, что небольшое количество оксида кремния присутствует вобразцах SrTiOx, выращенных на интерслоях Si3N4 и HfO2, что обусловленоиспользованием IMEC-технологии [89, 94] в процессе подготовки Si подложек дляпоследующего синтеза пленок SrTiOx методом МН.В Si 2p спектре пленки, выращенной на Si3N4, прослеживается пик вблизиэнергии 101.8 эВ, который, согласно [50, 98], соответствует Si 2p линии в Si3N4.Заметим, что для пленки SrTiOx, выращенной с использованием интерслоя Si3N4,вклад от добавочного слоя SiO2 в фотоэлектронном спектре Si 2p являетсяминимальным (рисунок 3.20).
Вероятно, это обусловлено устойчивостью слоя Si3N4 ккислородному воздействию [129] и способностью предотвращать до определеннойстепени диффузию кислорода из пленки SrTiOx в Si подложку в процессе синтеза.Диффузия кислорода из пленки SrTiOx в подложку может привести к уменьшениюколичества связей Sr-O, что может препятствовать образованию обогащеннойстронцием STO структур.
Таким образом, можно предположить, что именносвойство Si3N4 сдерживать диффузию атомов кислорода позволяет не толькосинтезировать на данном буферном слое пленку SrTiOx с повышенным содержаниематомов Sr, но также сохранять обогащение пленки стронцием при нахождениисистемы SrTiOx/B/Si на атмосфере.Необходимо отметить, что анализ Si 2p РФЭС не выявил компонент Si 2p,относящихся к стронций-силикатным образованиям. Это подтверждает тот факт, чтоиспользование на границе пленка/подложка тонкого интерслоя препятствуетформированию весьма устойчивых связей Sr-Si-O, которые вносят неравномерностьпо составу вдоль направления роста пленок, и, тем самым, неблагоприятно влияютна свойства STO пленок.90Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:1) кристаллическая структура пленок SrTiOx различна и зависит отхимического состава интерслоя B, на котором выращена пленка:a) в пленке, синтезированной на интерслое SiO2, формируется кубическаяструктура SrTiO3;b) в двух других пленках, выращенных на интерслоях HfO2 и Si3N4,наблюдается нарушение кристаллической структуры пленки SrTiOx;c) только интерслой Si3N4 позволяет сохранить структуру SrTiOx сповышенным содержанием атомов Sr;2) в пределах изученных толщин пленок SrTiOx не обнаружено какой-либозависимости кристаллической структуры/электронного строения пленок SrTiOx оттолщины пленки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
