锰及其硅化物纳米结构在硅重构表面上的自组装生长

摘要

传统光刻工艺的尺寸限制使得自组装的纳米结构在下一代的电子器件中具有重要的应用前景。硅化物纳米结构的外延生长方式与传统的硅基微电子集成电路的制造工艺具有很好的兼容性，因此，通过自组装形成的硅化物纳米结构有望用作电子器件中的欧姆接触、肖特基势垒接触以及低电阻互联线等。本文在以往研究的基础上，利用超高真空扫描隧道显微镜对锰及其硅化物在Si(100)-2×1以及Si(111)-7×7重构表面上的外延生长情况进行了系统的研究。主要内容如下： (1) 锰及其硅化物在Si(100)表面的反应外延生长 利用超高真空扫描隧道显微镜（UHV-STM）研究了不同温度下锰及其硅化物在Si(100)-2×1重构表面上的外延生长情况。实验结果表明当生长过程中衬底温度控制在室温到135℃时，生成大小基本一致的锰纳米团簇；当衬底温度达到210℃时锰与硅开始发生反应，形成硅化物，并有纳米线结构出现；当衬底温度达到330℃时，纳米线完全被棒状物或不规则的三维岛状硅化物取代。随着沉积时衬底温度升高，生成物的成核密度与生长温度的关系与经典的二维岛成核理论相符合。 当Mn的沉积量为3ML时，对薄膜进行退火，发现当退火温度达到540℃时，生成物的岛结构分为两种，一种是顶面不太规则的小岛，另外一种是顶面平坦且可以观察到表面晶体结构的大岛，这有可能是退火中锰跟表面的硅发生反应从而生成Mn5Si3和MnSi。 (2) 锰的硅化物薄膜在Si(111)-7×7表面固相外延生长的扫描隧道显微镜研究 利用超高真空扫描隧道显微镜（UHV-STM）对沉积在Si(111)-7×7重构表面上的锰薄膜在300℃～650℃之间进行了退火研究。起初，锰原子在Si(111)衬底上形成锰的纳米团簇的有序阵列，经过300℃下退火后，锰纳米团簇的尺寸增大并且纳米团簇阵列由有序变为无序；当退火温度达到400℃左右时，锰纳米团簇与硅衬底发生反应生成富锰的三维岛状物和由MnSi构成的平板状岛；500℃退火后生成物全部转变为MnSi平板状的岛；650℃退火后生成物则由MnSi平板状的岛全部转变为富硅的大的不规则的三维岛，且被破坏的衬底表面同时重新结晶形成7×7结构。