（凝聚态物理专业论文）硅衬底与碳、氮、铒原子反应生成的超薄膜的表面结构研究.pdf

摘要稹旦火擎博士论文 摘要 硅衬底与碳、氮、铒原子反应生成的超薄膜的表面结构研究 物理系凝聚态物理专业 研究方向：半导体表面界面物理 学生姓名杨建树导师王迅院士 本论文是关于硅基底上形成的曼查丝丝硅墅卷岛，、塑佳硅薄膜和铒硅化食 、物表面结构的研究，主要包括以下四个方面的工作： 一、硅基底上自组织生长碳化硅纳米岛及表面结构特征： ， 佧u 用c 。与衬底s i 原子的热反应，可以在s i ( 1 1 1 ) 和s i ( 0 0 1 ) 表面形成p 相晶 态纳米碳化硅岛。用s t m 观察，发现在s i ( 0 0 1 ) 表面形成的s i c 岛上，普遍具 有有序的s i c ( 0 0 1 ) 一( 2 3 ) 周期结构，岛侧面为s i c ( 1 1 1 ) 一( 2 4 5 2 3 ) r 3 0 。周期性 小面结构。岛的尺度小于s i ( 1 1 1 ) 表面上形成的碳化硅纳米岛。在s i ( 1 1 1 ) 面上的 碳化硅岛，并不是每一个岛顶面都能够观察到有序的周期结构，其中晶态纳米 岛的顶面上为f 2 j 2 4 3 ) r 3 0 。再构的s i c ( 1 1 1 ) n ，岛的侧面没有发现特定的小 面结构，而是平台宽度不一的台阶。通过对单原子台阶高度的测量，进步证 明表面出现的是d 相的晶态碳化硅岛。这一结果改变了以前普遍认为的以这种方 式生长在s i ( 1 11 ) 表面的s i c 岛的晶体质量优于s i ( 0 0 1 ) 表面的s i c 纳米岛的说 法，和以前报道的透射电子显微镜( t e m ) 观察到的碳化硅岛与s i ( 0 0 1 ) 之间的 界面清晰有序，而与s i ( 1 11 ) 之间的界面结构无序的结果一致。 j y a n gs “曲c p p h y s i c s l a b ( n a t i o n a l k e ) ，l a b ) 摘要援g 盖擎博士论文 二、 s i c s i ( 1 1 1 ) 表面( 2 3 x2 3 ) r 3 0 。再构的匾王缝趁； 为了解s i ( 1 1 1 ) 上形成的p 相碳化硅纳米岛上s i c ( 1 1 1 ) - ( 2 3 2 , 5 ) r 3 0 。表面 再构的原子结构，我4 1 3 矛t 3 用s t m 详细研究了不同样品偏压下图像的变化，观察 到随着偏压的变化，表面结构依次表现出( 2 2 ) 、( 2 4 5 2 , 5 ) r 3 0 。和y 型再构 形式。由此提出了s i c 0 1 1 ) 一( 2 , 5 2 4 5 ) n 3 0 。的原子结构模型，称之为 “d e m i s e m i v a c a n c y ”模型，这一模型可成功地解释我们所观察到的实验现象。广一- 一 三、s i ( 1 1 1 ) 表面氮化和s f s i n ；s i 窆星缝捡的生长j 临硅衬底上氮化硅薄膜的生长，是利用高温下清洁s i 样品暴露在含氮气氛 中形成的。通过系统的实验研究，我们发现在s i ( 0 0 1 ) 表面不能形成任何晶态的 氮化膜，但在适当的实验条件下，s i ( 1 1 1 ) 表面可以形成有适当氮硅配比的p 相 晶态s i 3 n 4 薄膜，表面呈现p s i ，n 4 ( 0 0 0 1 ) - ( 4 x 4 ) 再构。这里所谓适当的实验条件 指的是一定的氮化温度和氮化气体的纯度。当氮化温度较低或氮化气体不够纯 时，s i ( 1 1 1 ) 表面形成的氮化膜呈现“8 3 x 8 3 ”的近周期结构。 ( 1 ) s i ( 1 11 ) 表面的氮化 n h ，在室温或更低的温度下就可以和硅发生化学反应，这样的反应容易发 生在s i ( 1 1 1 ) 表面中心顶戴原子处，表面的角洞和角洞周围的六个顶戴原子没有 发生变化。将样品在6 0 0 。c 退火或者在此温度下使样品直接氮化，表面出现三 类局域结构。一类是没有确定边界形状的二维硅岛，硅岛上呈现( 5 x 5 ) 、( 7 x 7 ) 和( 9 x 9 ) 再构。一类是同样没有确定边界形状的二维氮化膜岛，岛上是 “8 3 x 8 3 ”的近周期结构。第三类是位于前面两类二维岛之间的无序结构。进 一步高温退火( 低于8 0 0 。c ) 或者高温下对样品直接氮化后，表面出现的是三 角形状或多边形状的二维硅岛，岛上普遍是( 7 x 7 ) 表面再构，这些岛之外是氮化 膜“8 3 x 8 3 ”的近周期结构。 j y a n gs u r f a c e p h y s i c s l a b ( n a t i o n a l k e y l 口 摘要顿g 史孥 博士论文 在样品氮化、或氮化后退火温度高于8 0 0 。c 时，氮化膜表面出现一种完全 不同的结构形态。l e e d 衍射斑点显示较为均匀的“8 x 8 ”图样，s t m 观察到 3 0 7n l t l 的周期结构，最小的台阶高度为o 2 9 姗，台阶上、下具有相同的结构 和结构取向。根据晶态0 【相、p 相和“立方s p i n e l 相”s i ，n 。的晶体结构、对称性 与我们实验结果的比较和分析，确认氮化膜表面3 0 7n m 的周期结构是d s i 3 n 4 ( 0 0 0 1 ) ( 4 x 4 ) 表面再构。同时确定了晶态p s i ，n 4 ( 0 0 0 1 ) - ( 4 x 4 ) 表面再构与衬 底s i ( 1 1 1 ) 之间的结构取向关系。 在s i 表面氮化膜的生长是一个自限制的生长过程，清洁s i 样品在氮化初 期，表面氮化膜的生长速度比较快。随着氮化膜的形成和进一步生长，氮化效 率降低，并最终达到饱和。对样品氮化达到饱和后，表面形成的氮化膜厚度的 估计，各个研究小组的报道有所不同，其他研究小组的报道中最厚的氮化膜估 计为4 脚，在我们的实验中，利用s t m 和t e m 确认为2n l t l 。s i 表面的氮化 效率和氮化气体的纯度有很大关系。在不是很纯的含氮气体( n t - i ，或n o ) 中氮 化，只形成单原子层的氮化膜，表面出现的是“8 3 x 8 3 ”的近周期结构。在很 纯的n i t ，或n o 中氮化，可以形成2i l r n 的氮化膜，表面出现的是p s i 。n 4 ( 0 0 0 1 ) 一 ( 4 x 4 ) 再构。 ( 2 ) 生长s i s i ，n 4 s i ( 11 1 ) 多层结构的尝试 在氮化硅介质膜上生长半导体材料的覆盖层，形成半导体* 绝缘体一半导体 ( s i s ) 结构，可用于制作新的电子器件。能够在介质膜表面生长均匀平整的晶 态半导体材料，将可以实现制作多层集成电路，从而进一步提高现有集成电路 的集成度。我们尝试在硅衬底的氮化硅薄膜表面生长晶态的g e 和s i ，并利用 s t m 和高分辨的x t e m 进行了观察。结果表明，生长初期，无论晶态的b s i ，n 4 ( 0 0 0 1 ) s i ( 1 1 1 ) 表面还是在非晶的s i n j s i ( 0 0 1 ) 表面，g e 和s i 的生长遵循 “v o l m e r w e b e r ”生长模式，形成三维的g e 或s i 岛。g e 或s i 的淀积量增 加，三维的g e 或s i 岛长大，岛上出现晶态小面结构。g e 或s i 覆盖层厚度进 一步增加，在晶态p s i ，n 。( 0 0 0 1 ) s i ( 1 1 1 ) 上生长的g e 或s i 岛成为柱形的三维 j y a n g 肌q h c e p h y s i c s l a b ( n a t i o n a l k e y l ! a b ) 摘要橇口史擎 博士论文 岛，岛n n n 上是与衬底s i ( 1 1 1 ) 晶面相同的多畴表面再构，而在非晶态的 s i n ；s i ( 0 0 1 ) 表面形成的仍然是多品的g e 或s i 岛。如果在原来的氮化膜表面p - s i ，n 4 ( 0 0 0 1 ) s i ( 1 1 1 ) 上有二维的s i 岛( 利用n h ，作为氮化气体，没有达到饱和氮 化时的情形) ，后来淀积在样品上的s i ，以这些二维的s i 岛作为生长点进彳亍外 延生长，在整个生长过程中，这些岛上始终保持与衬底相同的晶面取向和表面 原子结构。) ， 四、e r 与s i ( 0 0 1 ) 表面原子化合引起的衬底表面局域结构和形成的晶态铒硅化 合物结构特征。 ( 我们利用s t m 和l e e d 初步研究了铒硅化合物生长初期的表面形貌和结构 特征。铒硅化合物是采用室温下淀积在s i ( 0 0 1 ) 表面的e r 原子与s i 原子在6 0 0 。c 直接反应形成的。在e r 的淀积量较少( 估计少于1m l ) 时，观察到表面形 成三种特征的局域结构，一种是余留的s i ( 0 0 1 ) - ( 2 1 ) ，一种是由e r 引起的e r - 对形成的列聚在一起构成的小区域有序结构，其它区域没有特定的有序结构。 另外，确定了表面形成的e n 对与衬底s i ( 0 0 1 ) 表面( 2 x 1 ) 再构的相对位置和取向 关系，认为e r - 对吸附在相邻两个s i 二聚物的中心位置，e r - 对的取向与s i 二聚 物的取向相互垂直，并在垂直于s i 二聚物列的方向排列成列。e r - 对形成的列较 短，最长不超过l o 个周期。多列e r 一对的列聚集在一起形成很小区域的有序结 构。 在相对较高的淀积量( 估计为2m l ) ，形成的铒硅化合物表现为长方形岛 状结构，岛的顶面是c ( 2 2 ) 的表面再构。x 射线衍射( x r d ) 结果表明表面形 成的铒硅化合物岛具有t h s i ，型结构相。基于我们的实验结果，提出了两个可能 的e r s i ：( 0 0 1 ) - c ( 2 2 ) 原子结构模型。卜、一 j y a n gs u r f a c e p h y s i c s l a b ( n a t i o n a l k e y l a b ) a b s t r a c t扳g 太謦 博士论文 a b s t r a c t s u r f a c es t r u c t u r eo fu l t r a t h i nf i l m so ns i l i c o ns u b s t r a t e s f o r m e d b y r e a c t i o n so fs i l i c o nw i t hc a r b o n ， n i t r o g e na n d e r b i u m p h y s i c sd e p a r t m e n t c o n d e n s e dm a t t e rp h y s i c s n a m e ：j i a n s h u y a n g d i r e c t o r ：x u n w a n g t h i sw o r kf o c u so nt h es t u d i e so fs u r f a c es t r u c t u r e so nt h ec r y s t a l l i n es i l i c o n c a r b i d ei s l a n d s ，s i l i c o nn i t r i d ef i l m sa n de r b i u ms i l i s i d ei s l a n d sf o r m e d b yr e a c t i o no f c 6 0 ，n h 3a n de rw i t hs i l i c o na t o m so i ls i ( 111 ) a n ds i ( 0 0 1 ) s u b s t r a t e s i ti n c l u d e st h e f o l l o w i n gf o u rp a r t s ： a s e l f - a s s e m b l e dg r o w t ho fc u b i cs i l i c o nc a r b i d en a n o - i s l a n d so n s i l i c o n s i l i c o nc a r b i d e ( s i c ) n a r l o c r y s t a l l i t e sa r ef o r m e d b y t h et h e r m a lr e a c t i o no f c 6 0 m o l e c u l e sw i t hs i l i c o na t o m so ns i ( 0 0 1 ) a n ds i ( 1 1 1 ) s u r f a c e sa t9 0 0 1 1 5 0 。c t h e s u r f a c em o r p h o l o g i e sa n ds t r u c t u r e so f t h ec u b i c1 3 - s i ci s l a n d so n s i ( 0 0 1 ) a n ds i ( 1 11 ) a r ei n v e s t i g a t e di ns i t ub yu s i n gs c a n n i n gt u n n e l i n gm i c r o s c o p y ( s t m ) c o m p a r e dt o b u l ks i cc r y s t a l s ，d i s t i n c t i v ea t o m i cs t r u c t u r e sa r ef o r m e do nt h es u r f a c e so ft h es i c c r y s t a l l i t e s ：a ( 2 x 3 ) o ns i c ( 0 0 1 ) a n da ( 2 - 3 2 、3 ) r 3 0 。r e c o n s t r u c t i o no ns i c ( 11 ) j y a n gs u r f a c e p h y s i c s l a b ( n a t i o n a l k e y l a b ) 竺竺! 丝! 丝坠 f o rs i ( 0 0 1 ) 。b e s i d e sa ( 2 x 3 ) r e c o n s t r u c t i o ns h o w no nt h et o ps u r f a c eo f t h ei s l ”d t h e r ea p p e a rs o m ef a c e t ss u r r o u n d i n gt h ei s l a n d t h ef a c e t s a r eo ft h e 111 f a m i l y w i t ht h es a m ef 2 压2 - 五) r 3 0 。s t r u c t u r ea st h o s eo b s e r v e do n t h et o po fs i c ( 111 ) i s l a n d b a t o m i cs t r u e t u r a lm o d e lo f ( 2 4 3 2 4 3 ) - r 3 0 。r e c o n s t r u c t i o n p r o p o s e df o r1 3 - s i c ( 1 1 1 ) c r y s t a l l i n e i s l a n d so ns i ( 11 1 ) b yc 6 0 p r e c u r s o r t h es u r f a c es t r u c t u r e so fd s i c ( i11 ) c r y s t a l l i n ei s l a n d sf o r m e db yt h e r m a l c h e m i c a lr e a c t i o nb e t w e e ns i l i c o ns u b s t r a t e a n da d s o r b e dc 6 0m o l e c u l e s a t h i g h t e m p e r a t u r e sa r es t u d i e db yu s i n g u l t r ah i 曲v a c u u ms c a n n i n gt u n n e l i n gm t c r o s c o p y f u h v s t m ) t h es t mi m a g e ss h o was t r o n g b i a sv o l t a g ed e p e n d e n c e ，a p p e a r i n ga s ( 2 x 2 ) ，( 2 压2 4 9 ) 一r 3 0 。a n d y t y p ep a t t e r n su n d e r d i f f e r e n tb i a sv o l t a g e s as u r f a c e a t o m i cs t r u c t u r a lm o d e lw i t hv a c a n c yc o v e r a g eo f1 4 a n dt h r e ed i f f e r e n ts i t e so f s u r f a c es i l i c o na t o m si s p r o p o s e d t o i n t e r p r e t t h e e x p e r i m e n t a l o b s e r v a t i o n s t h e d a n g l i n gb o n d e l e c t r o n i cs t a t e sc o n t r i b u t e db yt h e s es ia t o m so f d i f f e r e n ts i t e so nt h e o u t e r m o s ts u r f a c el a y e r a n db yt h ec a r b o na t o m ss u r r o u n d i n gt h e v a c a n c i e sa r e s u g g e s t e dt ob er e s p o n s i b l ef o rt h ed i f f e r e n tt u n n e l i n gc o n d i t i o n su n d e r d i f f e r e n tb i a s v o l t a g e si ns t mi m a g e s c s u r f a c es t r u c t u r e so fc r y s t a l l i n es i 3 n 4t h i nf i l m so ns i ( 1 l 1 ) s i l i c o nn i t r i d ef i l m sc a l lb eg r o w no ns i l i c o nb ye x p o s i n gs i s u b s t r a t et o n i t r i d a t i o n g a s e ss u c h a s n h 3a n dn o ，o rt o na t o m sa n di o n s a l t h o u g hn h 3 m o l e c u l e sd i s s o c i a t ea n dr e a c tr e a d i l yw i t hs is u r f a c e sa tr o o mt e m p e r a t u r eo re v e n l o w e r t e m p e r a t u r e ，s t o i c h i o m e t r i cs i 3 n 4 f i l m sc a n n o tf o r m u n t i lt h e s a m p l e t e m p e r a t u r e i sr a i s e da b o v e5 7 5 。cf o rh y d r o g e nd e s o r p t i o na n ds id i f f u s i o nt oo c c u r j y a n gs u r f a c e p h y s i c s l a b ( n a t i o n a l k e y l a b ) a b s t r a c t棋旦戈乎 博士论文 s y s t e m a t i ce x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o nh a s b e e nm a d ef o rs o m eb a s i ci s s u e s w i t hr e s p e c tt on i t r i d a t i o n a n ds i l i c o nn i t r i d et h i nf i l m g r o w n o n s i ( 1i1 1 o u r p a r t i c u l a ri n t e r e s t sa r e i nt h es u r f a c ea t o m i cs t r u c t u r e sa td i f f e r e n ts t a g e so fn i t r i d a t i o n e s p e c i a l l y ，w eh a v ep a i da t t e n t i o nt of i n dt h ep o s s i b i l i t yo ff o r m i n gc r y s t a l l i n es i 3 n 4 f i l m so ns i ，s i n c es u c hc r y s t a l l i n ed i e l e c t r i cf i l mg r o w no ns i l i c o nc o u l dl e a dt ot h e r e a l i z a t i o no fm u l t i l a y e ri n t e g r a t e dc i r c u i t sa n dt ot h ef a b r i c a t i o no fd e v i c e sm a d eo f o t h e rc r y s t a l l i n em a t e r i a l so ns is u b s t r a t e s t h es u r f a c es t r u c t u r eo fd i e l e c t r i cf i l m c o u l dh a v eas t r o n gi n f l u e n c eo i lt h eg r o w t ho fo t h e rm a t e r i a l sa b o v et h ef i l m f o r t h e s er e a s o n s ，w et r yt od e t e r m i n et h es u r f a c ea t o m i cs t r u c t u r eo ft h ec r y s t a l l i n e s i l i c o nn i t r i d ef i l mg r o w no ns i l i c o n ，i fs u c haf i l mc o u l db ep r e p a r e d w eh a v e e m p l o y e dac o m b i n a t i o no fs t m ，l e e da n da e st e c h n i q u e st o e x a m i n et h en e w f e a t u r e st h a ta p p e a r e do nt h es a m p l e sa f t e re x p o s u r et on i t 3a n dv a c c u ma r m e a l i n ga t d i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s t h ed i f f e r e n ts u r f a c es t r u c t u r e so ns i ( 111 ) u p o nn h 3e x p o s u r ea tv a r i o u s t e m p e r a t u r e sh a v e b e e no b s e r v e d a tr o o mt e m p e r a t u r e ，t h er e a c t i o ni so c c u r sl o c a l l y a n dt h e7 x 7r e c o n s t r u c t i o ni ss t i l lo b s e r v a b l e t h e7 x 7i sd e s t r o y e da t4 0 0 。ca st h e r e a c t i o nb e c o m e sn o n l o c a l a s s a r n p l et e m p e r a t u r ei s i n c r e a s e df u r t h e r , o r d e r e d s i l i c o nn i t r i d ep h a s e ss t a r tt of o r m a tt 8 0 0o c ，a1 0 2n m p e r i o d i cs t r u c t u r e ，o r t h e ”8 3 x 8 3 ”r e c o n s t r u c t i o n ，i sf o r m e d a tt 8 0 0 。c ，c r y s t a l l i n ep s i 3 n 4f i l m sg r o w o n s i ( 111 ) a f t e rn - i - 1 3e x p o s u r e ，w i t hs i 3 n 4 ( 0 0 0 1 ) s i ( 1 11 ) a3 0 7 n l n p e r i o d i c s u p e r s t r u c t u r ei so b s e r v e do n t h es u r f a c eo ft h e3 - s i 3 n 4f i l m s ，w h i c hi sd e s i g n a t e da s t h e4 x 4r e c o n s t r u c t i o no ft h es i s n 。( o 0 0 1 ) s u r f a c e t h i sr e c o n s t r u c t i o ny i e l d sa n ”8 x 8 l e e d p a t t e r nw i t hr e l a t i v e l yu n i f o r ms p o ti n t e n s i t y i m p u r i t i e ss u c ha so x y g e na n d w a t e rc a l l s u p p r e s s t h ef o r m a t i o no f p s i 3 n 4f i l m s ，y i e l d i n g a n ”8 3 x 8 3 ” r e c o n s t r u c t e ds u r f a c ew i t hs h a l l o wn i t r i d a t i o n i ti sa l s ol i k e l yt h a tt h ep i t so b s e r v e d o nt h en i t r i d ef i l m sa r ec r e a t e db yt h ee t c h i n ge f f e c to f i m p u r i t i e sa n d o rt h ef r a g m e n t s o f n h 3 t h es i mf i l mg r o w t ho ns i ( 0 0 1 ) i sa l s oa ni m p o r t a n t t o p i cb e c a u s e i ti s d i r e c t l yr e l a t e dt om i c r o e l e c t r o n i ca p p l i c a t i o n s a l t h o u g hs i ( 0 m ) n i t r i d a t i o ns t u d i e s j y a n gs u r f a c e p h y s i c s l a b ( n a t i o n a l k e y l a b ) a b s t r a c t簇旦火擎 博士论文 h a v eb e e nc a r r i e do u tw i t hv a r i o u st e c h n i q u e s ，t h o s eu s i n gh i g h r e s o l u t i o ns t m h a v e b e e nl i m i t e da te a r l yn i t r i d a t i o ns t a g e s ，a n dr e l a t i v e l yr a r ea sc o m p a r e dw i t ht h a to f s i ( 11 1 ) i na d d i t i o n ，t h es t u d i e so f o v e r l a y e rg r o w t h o nt h es i n 。f i l m sa r ei m p o r t a n tt o m a n ya p p l i c a t i o n s f o re x a m p l e ，s e m i c o n d u c t o r - i n s u l a t o r s e m i c o n d u c t o r ( s i s ) s t r u c t u r e sc a nb eu s e dt of a b r i c a t en o v e le l e c t r o n i cd e v i c e s t h ep o s s i b i l i t yo fg r o w i n g as m o o t hc r y s t a l l i n es io rg eo v e r l a y e ro nad i e l e c t r i cf i l mc o u l d1 e a dt ot h e r e a l i z a t i o no f m u l t i l a y e ri n t e g r a t e d c i r c u i t s n u c l e a t i o n a n d g r o w t h o fn a n o c r y s t a l l i t e so n c e r a m i cs u r f a c e sa r er e l a t e dt of a b r i c a t i o no f c a t a l y s t s t h er e s u l t so fs t ma n dh i g h - r e s o l u t i o nc r o s s - s e c t i o n a lt r a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p y ( x t e m ) i n v e s t i g a t i o n so f m o r p h o l o g i c a le v o l u t i o no f s io rg e o v e r l a y e r s d e p o s i t e do nt h ec r y s t a l l i n es i n ，s i ( 11 1 ) a n da m o r p h o u ss i n 。s i ( 0 0 1 ) s u b s t r a t e sa r e a l s op r e s e n t e d a l t h o u g h3 di s l a n d sa r ef o r m e do nb o t hs u b s t r a t e sa tt h ei n i t i a ls t a g e o fs io rg ed e p o s i t i o n , t h e o v e r l a y e r o n s i n x s i ( 1 11 1e v o l v e s g r a d u a l l y i n t o c r y s t a l l i n e c o l u m n a rf i l m a l i g n e d w i t ht h e s u b s t r a t e ，w h e r e a s t h e o v e r l a y e r o n s i n x s i ( 0 0 1 ) r e m a i n sp o l y * c r y s t a l l i n e a st h ed e p o s i t i o ni n c r e a s e s t h ef a c t o r st h a t l i m i tt h et h i c k n e s so fs i mf i l m s ，a n dt h em e c h a n i s m st h a tl e a dt ot h ed i f f e r e n t o v e r l a y e rt e x t u r ea r eb r i e f l yd i s c u s s e d d a t o m i cs t r u c t u r ea n ds u r f a c em o r p h o l o g yo fe r b i u ms i l i c i d e u l t r at h i nf i l mg r o w no ns i ( 0 0 1 ) s u r f a c e s c a n n i n gt u n n e l i n gm i c r o s c o p ya n dl o we n e r g ye l e c t r o nd i f f r a c t i o na r eu s e dt o s t u d yt h ee r b i u ms i l i c i d et h i nf i l m sg r o w no ns i ( 0 0 1 ) e r s i 2 一。c r y s t a l l i n ei s l a n d sa r e f o r m e db ye rd e p o s i t i o no ns i l i c o ns u b s t r a t ea tr o o mt e m p e r a t u r ef o l l o w e d b y a n n e a l i n ga t6 0 0 。c t h e i s l a n d sa r ee l o n g a t e da l o n gt h ed i r e c t i o n p e r p e n d i c u l a rt ot h e s id i m e rr o w so nt h es u b s t r a t e ac ( 2 x 2 ) s u p e r s t r u c t u r ei so b s e r v e do nt h es u r f a c eo f t h ee r s i 2 。i s l a n d s i nb e t w e e nt h e s ei s l a n d s ，t h es id i m e rs t r u c t u r ei sl a r g e l y p r e s e r v e d i na d d i t i o n ，s m a l l l o c a lo r d e r e da t o m i cs t r u c t u r e s ，w h i c ha r eb e l i e v e dt ob ei n d u c e d b y t h ea d s o r p t i o no ft h ee ra t o m so nt h es id i m e r sa r ed e t e c t e d s t r o n gb i a s v o l t a g e 3 y a n gs u 西c e p h y s i c s l a b ( n a t i o n a l k e y l a b l a b s t r a c t强l 大学 博士论文 一= _ j ；= ；= = = = ；= = = ；= = = = = ；= = ；l 口= = = ；= 一 d e p e n d e n c e o f t h es t mi m a g e sa r eo b s e r v e di nt h e s ea r e a s t h ec ( 2 x 2 ) r e c o n s t r u c t i o n i so b s e r v e da st h es u r f a c es t r u c t u r eo ft e t r a g o n a lp h a s ee r s i 2 xc r y s t a l l i n ei s l a n d s b a s e do nc a r e f u la n a l y s i so ft h es t mi m a g e sa n dl e e dp a t t e r n s ，p o s s i b l es t r u c t u r e m o d e l sf o rc ( 2 x 2 ) a r ep r o p o s e d j y a n gs u r f a c e p h y s i c s l a b ( n a t i o n a l k e y l a b ) 第一章前言 损旦史擎 博士论文 第一章前言 硅和硅基材料在现代半导体技术的发展中一直扮演着重要的角色。硅不仅 是目前最重要、应用最广泛也是被研究得最为深入透彻的半导体材料。然而单 纯的硅材料已不能适应半导体工业进一步发展的要求，以硅作为基底在表面上 外延生长具有特殊性能的其它材料，已成为半导体工业、及相关基础研究的一 个重大课题。近年来，在硅基底上生长各种低维结构，如量子点、量子线等成 为半导体材料研究的一个热点。除了对半导体材料的生长外，在半导体技术中 另外两个基本的问题是制做半导体器件的介质膜和硅与金属的接触。由此带来 的材料表面和界面就成为一个不可避免的问题。在所有这些问题中，半导体材 料、介质膜、金属表面、介质膜和金属与衬底之间的原予结构在其中的重要性 是人所共知的，正如d u k e 1 在他的文章中所描述的那样： “t h e r ei sn od o u b t t h a tt h ea t o m i c g e o m e t r y o fas u r f a c eo ri n t e r f a c ei si t sm o s tf u n d a m e n t a l c h a r a c t e r i s t i c a n ys e r i o u ss c i e n t i f i c e f f o r tt od e t e r m i n et h ee l e c t r o n i cs t n l c t t t r ea n d p r o p e r t i e s o fa l li n t e r f a c em u s ts t a r tw i t har e a l i s t i c d e s c r i p t i o n o fi t sa t o m i c g e o m e t r y ” 由b i n n i g 和r o h r e r 2 发明的扫描隧道显微镜( s c a n n i n g t u n n e l i n g m i c r o s c o p y ，简称s t m ) 使我们得以在实空间观察金属、半导体表面亚原子级 分辨的表面结构，现在已经成为研究金属和半导体表面问题的有力工具。近年 来对s t m 方法及应用的研究发展非常迅速，每年都有大量的涉及各个领域的文 章见诸各类科学出版物。勿庸置疑，s t m 的出现为表面科学的基础研究和应用 带来了一个新的空前的繁荣时期。 s t m 的基本原理是利用电子通过势垒，形成的隧穿电流与隧穿势垒特性之 间的依赖关系。量子隧穿效应的应用早在5 0 年前就已经被注意到了，例如，应 用量子隧穿效应m u l l e r ( 1 9 5 6 ) 3 成功地解释了场发射现象；s i n m o n s ( 1 9 6 3 ) 4 据此解释了通过金属绝缘体一金属( m i m ) 结构的电流特性，但对 j y a n gs u r f a c e p h y s i c sl a b ( n a t i o n a l k e y 血埘 2 - t y 一章前i槎旦戈擎 博士论文 隧穿电流中所包含的具有原子分辨率的表面电子态结构空间分布的信息的理解 却是s t m 出现以后的事，其中最成功的例证是s