Adsorption de disilane sur Si(111) 7 × 7. Influence de l'hydrogène

HAL Id: jpa-00246256

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Submitted on 1 Jan 1990

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Adsorption de disilane sur Si(111) 7 x 7. Influence de l’hydrogène

M. Alaoui, F. Ringeisen, D. Bolmont, J.J. Koulmann

To cite this version:

M. Alaoui, F. Ringeisen, D. Bolmont, J.J. Koulmann. Adsorption de disilane sur Si(111) 7 x 7.

Influence de l’hydrogène. Revue de Physique Appliquée, Société française de physique / EDP, 1990,

25 (9), pp.931-934. �10.1051/rphysap:01990002509093100�. �jpa-00246256�

Adsorption de disilane

sur

Si(111) ^{7 7.} Influence de l’hydrogène

M.

Alaoui,

^F.

Ringeisen,

D. Bolmont et J. J. Koulmann

Laboratoire de

Physique

^{et de}

Spectroscopie Electronique,

^{F.S.T. 4 rue} des Frères Lumière, 68093 Mulhouse Cedex, ^France

(Reçu

^{le 21 décembre} 1989, ^{révisé le 29}

février

^1990,

accepté

^{le 23 mai}

1990)

Résumé. ²⁰¹⁴

L’adsorption

de disilane sur

Si(111)

7 x 7 dans la gamme de

température

25-550 °C fait

apparaître

la formation des

phases

^{mono et}

dihydrure déjà

^{observées avec les}

systèmes Si(111) :

^{H et}

Si(111) : SiH4.

^La

phase monohydrure

^{Si-H est} maximale à 350 °C et subsiste

jusqu’à

550 °C. La

phase dihydrure

^{est très}

importante

^à

température

^ambiante

(TA),

inexistante à

partir

^{de 250 °C et} traduit la formation d’un

polysilane

de type

(SiH2)n.

^{Une surface}

⁽¹¹¹⁾

^{de silicium, saturée en}

hydrogène

^ou disilane à

350 °C,

^est

passivée

^vis-à-vis

du disilane à TA. Pour obtenir la formation d’une

phase dihydrure,

^{il est} nécessaire de casser la molécule de disilane ou

d’hydrogène

^{au contact} d’un filament de

tungstène porté

^{à haute}

température.

^Par

comparaison

avec

l’adsorption

^{de disilane sur}

Ge(111),

^nous concluons, à

partir

^{de mesures} XPS,

qu’une partie

^{au moins de}

la

phase dihydrure

résulte de la fixation de groupements

SiH2.

Abstract. ²⁰¹⁴ Disilane

adsorption

^{on a}

Si(111)

7 x 7 surface in the 25-550 °C temperature range induces

only

mono and

dihydride phases

^as

already

^{observed on the}

Si(111):

^{H and}

Si(111): SiH4

systems. ^The

monohydride phase

is maximal at 350 °C and is observable up ^to 550 °C. The

dihydride phase

^is very

important

at room temperature

(RT) suggesting

formation of a

(SiH2)n polysilane.

^A

Si(111)

surface saturated with

hydrogen

^{or disilane at 350 °C cannot}

followingly

adsorb disilane at RT whereas further

dihydride phase

formation is still

possible by

^{exposure to disilane or}

hydrogen

dissociated at a hot W filament.

Comparisons

^are

made with disilane

adsorption

^{on a}

Ge(111)

substrate. From XPS measurements we conclude that the observed

dihydride phase

^results

partially

^{from a}

sticking

^of

(SiH2)

^groups.

Classification

Physics

^Abstracts

86.65M - 79.60E ^- 68.55C

1. Introduction.

Les

procédés

^de

dépôts chimiques

^en

phase

vapeur

(CVD)

^sont

largement

utilisés dans la

préparation

de circuits

intégrés

à base de silicium

[1].

^{Dans le but}

d’obtenir des couches minces de silicium de bonne

qualité cristalline, l’épitaxie

par

jets

moléculaires

(MBE)

^fait

l’objet

^{de nombreux travaux}

[2].

^Pour

diminuer les

températures

^de

préparation,

^l’utilisa-

tion

d’hydrures

de silicium a été récemment _propo- sée

[3].

Il existe actuellement _peu de travaux concernant

l’étude des

espèces

chimisorbées sur

Si(111) préparé

dans des conditions d’ultravide _pour la

photoémis-

sion

[4]. L’adsorption

^{des silanes sur une surface de}

silicium

(111)

^{7 x 7}

présente

^{un intérêt}

théorique

^et

expérimental.

^Elle

permet

^d’une

part

^{de tester les} modèles de reconstruction de cette surface et

apporte

d’autre

part

^des informations essentielles sur les mécanismes de

décomposition thermique

des silanes.

Ces mécanismes sont utilisés dans la modélisation des

procédés qui

^font intervenir la CVD

[5].

L’adsorption

^{de disilane}

[6]

^sur

Si( 111 )

^{7 x 7 dans}

la gamme de

température [25-550 °C]

^fait

apparaître

la formation des

phases

^{mono et}

polyhydrure déjà

observées avec les

systèmes Si(lll) :

^{H et}

Si(l 11) : SiH 4 [4].

^La

phase monohydrure

^{Si-H est}

maximale à 350 °C et subsiste

jusqu’à

^{550 °C. La}

phase polyhydrure

obtenue lors de

l’adsorption

^de

disilane à

température

^ambiante

(TA)

^{est très}

impor-

tante et

disparaît

totalement à 250 °C. Cette

phase

traduit la formation d’un

polysilane

^de

type (SiH2)n.

Une surface de

Si(lll)

^{saturée avec de}

l’hydrogène atomique (H *)

^ou du disilane à 350 °C est

passivée

vis-à-vis du disilane à TA

[6, 8].

^{Nous avons étudié}

l’influence de H * et du disilane dissocié pour rompre cette

passivation.

2.

Dispositif expérimental.

Le

dispositif expérimental

^{est décrit en détail dans la}

référence

[7]. L’appareil

^{utilisé est du}

type

ESCA III VG avec

analyse

^en

photoémission

^inté-

grée.

^Les échantillons de

Si(8

^{x 10}

mm)

^sont

préle-

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/rphysap:01990002509093100

932

vés de

plaques

de silicium monocristallin d’orienta- tion

(111).

^Les

plaquettes

^{sont fixées sur un}

porte-

échantillon en tantale et chauffées _par effet Joule.

La mesure de la

température

^{est réalisée} par ^un

thermocouple

^et contrôlée par

pyrométrie optique.

Les surfaces propres de silicium ^sont obtenues de manière

classique

^{par des} bombardements d’ions argon suivis de recuits. La

propreté

de la surface est

contrôlée _par

spectroscopie

^{X et} la reconstruction 7 x 7 _par

spectroscopie

^UV

(états

^{de surface}

Si, S2

^et

S3

^situés

respectivement

^à

0,2 ; 0,8

^et

1,7

^eV

sous le niveau de Fermi

EF).

^{Le disilane ou}

l’hydro- gène

^sont introduits dans la chambre de

préparation

par des microfuites

permettant

^{un contrôle}

précis

des

pressions pendant

^les

expositions.

Un filament de

tungstène porté

^{à haute}

température permet

^de

décomposer

^ces deux gaz. Le flux de gaz étant

inconnu,

^nous

exprimons

^les

expositions

^en

Langmuir (1

^{L =}

10- 6

Torr x 1

s).

3. Résultats

expérimentaux.

Dans toute cette étude nous nous sommes volontai- rement limités à des

températures

^{où les}

phases

^Si-H

et

Si-H2

^étaient

prépondérantes

c’est-à-dire 350 °C

et TA.

Il convient de

signaler

^{que lors}

d’expositions

^à

H* ou aux

silanes,

^{nous n’avons relevé en XPS}

aucun

déplacement

notable du niveau de coeur

Si2p.

^Par ailleurs la variation du travail de sortie reste

faible

( 0,1 eV).

3.1 ADSORPTION ^DE DISILANE SUR

Si(l 11)

^{7 x 7. -}

Sur la

figure 1,

^nous

présentons quelques spectres

UPS

caractéristiques

^de

l’adsorption

^{de disilane et}

de son évolution _par traitement

thermique :

la. surface propre de

Si( 111 )

^{7 x 7.}

lb. surface la

exposée

^{à TA} à du disilane

jusqu’à

saturation. On observe ^un

pic important

^{situé à}

6,2

^{eV sous} le niveau de Fermi

EF.

^{Cette structure a}

la même

signature

que la

phase dihydrure

^observée

après adsorption

^{de H * à TA sur}

Si(111) [10,11] ;

1 c. la surface

précédente

^{a été recuite}

pendant

4 min à 350 °C. Nous observons les structures carac-

téristiques

^{de la}

phase monohydrure

^{Si-H avec ses}

pics

^à

5,3

^et

7,3

^{eV sous}

EF [7] ;

Id. la surface lc a été soumise à une

adsorption

de H * à 350 "C

jusqu’à

saturation. Nous observons la croissance d’une

phase

^Si-H dont l’intensité est

comparable

^à celle obtenue _pour une surface de

Si( 111 )

^saturée

uniquement

par H* à 3 50 °C.

Nous avons observé

qu’une

^{surface de}

Si(lll)

saturée en H* sous forme de

phase

^{Si-H et}

Si-H2

^était

incapable

^{de fixer} du disilane à TA sous

forme de

phase polyhydrure.

^Par contre, du disilane dissocié au contact d’un filament de

tungstène

^à

haute

température pouvait

^{encore se fixer.}

Fig.1.

^-

a) Si(111) 7 x 7

propre;

b) Si(111) 7 x 7 exposé

^au disilane à TA ;

c) b

recuit à 350 °C

pendant

4 min ;

d)

^{c saturé en Si-H.}

[a)

^clean

Si(lll) 7 x 7 ; b) Si(lll)

^{7 x 7}

exposed

^{to dis-}

ilane at RT;

c) b

^{after a 4 min}

annealing

^at

350 °C ; d)

c satured

by Si-H.]

3.2 ADSORPTION À TA DE DISILANE DISSOCIÉ SUR SURFACE

Si(lll)

7 X 7 SATURÉE ^EN H* (PHASES Si- H ET

Si-H2).

^{- Nous avons}

représenté

^{sur la}

figure

^{2 les}

spectres

^UPS

caractéristiques :

2a. surface _{propre de}

Si(lll)

^{7 x}

7 ;

2b. surface 2a saturée en Si-H à 350 °C _par

H * ;

^,

2c. surface 2b saturée à TA par H *. On ^note la coexistence des

phases

^{mono et}

dihydrure

^{dues à}

H* ;

,

2d. La surface c est soumise à TA à

l’adsorption

de disilane dissocié. Nous observons la croissance de la

phase dihydrure

^{initiale alors} que la

phase

^Si-H

varie _peu.

3.3 ADSORPTION A TA DE H * OU DISILANE ACTIVÉ

SUR

Si( 111 )

^{7 x 7 SATURÉE EN Si-H. -} Pour distin- guer les actions de H ^{* et} du disilane dissocié sur une

surface

déjà

^{saturée en}

Si-H,

^{nous l’avons}

exposée

^à

TA à des doses

identiques

^{de H * et de disilane}

activé. La

figure

³

représente

^les

spectres

^UPS obtenus pour ^une même

exposition

à TA de 10 000 L de H * ou de disilane activé sur une surface saturée

Fig. 2.

^-

a) Si( 111 )

^{7 x 7} propre ;

b) a

^{saturé en Si-H à}

350 °C ; c) b

^{saturé en}

Si-H2

par H * à TA ;

d)

^c

exposé

^à

TA au disilane dissocié.

[a)

^clean

Si(111)

^{7 x} 7 ;

b) a

satured with Si-H at

350 °C ; c) b

satured with

Si-H2 by

^{H * at} RT ;

d)

^c

exposed

^to

dissociated disilane at

RT.]

Fig.

^{3. -}

a) Si(111)

7 x 7 saturé en Si-H à

350 °C ; b)

a

exposé

^{à TA à H}

* ; c) a exposé

^{à TA au} disilane dissocié

(même exposition

^que

b).

[a) Si(111)

7 x 7 satured with Si-H ^at

350 °C ; b) a

^after

RTexposure

^to H* ;

c) a

^after

RT exposure

^to dissociated disilane

(same

exposure than

b).]

au

préalable

^{en Si-H}

(respectivement spectres 3b,

^3c

et

3a).

^La

phase monohydrure

^est

inchangée

^{dans les}

deux

expériences ;

^{par contre la}

phase dihydrure

^est

plus importante

^{avec le} disilane activé

qu’avec

H *.

4. Discussion des résultats.

L’adsorption

de disilane sur

Si(111)

^{7 x 7 à TA ne}

fait

apparaître qu’une importante phase (SiH2)n

^sans

phase

Si-H associée. Notre

interprétation [11] ]

^fait

intervenir la fixation de radicaux de

type H2Si-SiH2 qui présentent

deux liaisons non satisfaites

compati-

bles avec la distance adatom-restatom du modèle DAS

[12]

de la surface reconstruite

Si( 111 )

^{7 x 7. Si}

toutes les liaisons

pendantes

^{de cette dernière sont}

saturées _par

H *,

^il

n’y

^a

plus

de liaisons

disponibles

pour fixer ^ces radicaux.

Par contre le disilane dissocié

permet

^{encore la} croissance d’une

importante phase polyhydrure

^à

TA. Le disilane non dissocié ne s’adsorbe _pas sur

Ge( 111 ) 2 x 8

^{à TA.}

(pas

^de

pic Si2p

^{observé en}

XPS).

^Par contre, ^à l’état

activé,

^{nous observons sur}

ce même substrat à TA la croissance d’un film de

silicium. Nous en concluons _que la

phase polyhy- drure,

^{observée sur}

Si(lll)

^{7 x 7}

après exposition

^à

TA au disilane

activé,

^{est causée au moins en}

partie

par la fixation de

groupements Si-H2.

^{Il est indénia-}

ble _que H *

joue

^un rôle essentiel dans cette fixation

car sur une surface saturée au

préalable

^{sous forme}

de

phase

^{Si-H on}

peut

superposer ^une

phase Si-H2

^à TA par H *. La

décomposition thermique

^du

disilane donne lieu à la formation

d’hydrogène

moléculaire

qui peut

être dissocié au contact d’un filament de

tungstène

^{à haute}

température.

^{Il a été}

établi _que le coefficient de

collage

^{de H * sur}

Si( 111 ) 7

^{x 7 est}

supérieur

^à celui du disilane

[14].

Ceci

explique

la formation à TA d’une

phase

^Si-H

sur une surface de

Si{111)

^{7 x 7}

exposée

^{au disilane}

dissocié. Par

ailleurs,

pour

expliquer

la formation à TA d’une

phase polyhydrure

^{sur un substrat}

préala-

blement

saturé , en

^{Si-H ou SiH +}

Si-H2,

^{il faut}

admettre _que H*

(issu

^{de la}

décomposition

^du

disilane)

^est

capable

^{de casser des liaisons Si-Si du}

substrat. Il ^a été montré _que H* induisait des

changements importants

dans la reconstruction des surfaces propres de silicium

[ 15]

^ce

qui

^{est le cas ni}

du silane ni du disilane non dissocié

[8].

934

Certains auteurs

[8, 16]

font intervenir l’existence des radicaux

Si-H3

mais leur nombre est

trop

^faible

[17]

pour

permettre

^{la détection} par UPS.

La

photoémission

^X

(XPS)

^ne

permet

pas de

séparer

la contribution du silicium du substrat de

celle du silicium

apporté

^{sous forme} radicalaire

(Si- H, Si-R0.

^Pour

distinguer

^les

apports respectifs

^et

progresser efficacement dans

l’interprétation,

^une

étude sur un autre substrat que le silicium ^{est en}

projet.

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