WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 3 Свойства периодических структур a-Si : H a-SiNx : H, полученных нитридизацией слоев аморфного кремния © Д.И. Биленко, О.Я. Белобровая, Ю.Н. Галишникова, Э.А. Жаркова, Н.П. Казанова, О.Ю. Колдобанова, Е.И. Хасина Научно-исследовательский институт механики и физики при Саратовском государственном университете им. Н.Г. Чернышевского, 410026 Саратов, Россия (Получена 18 июля 1996 г. Принята к печати 3 июля 1997 г.) Исследованы кинетика нитридизации слоев a-Si : H и свойства образующихся при нитридизации структур, а также слоев a-Si : H в них. Изменение сопротивления слоев a-Si : H в ходе нитридизации описано конкуренцией легирования, переноса и изменением толщины остающегося слоя a-Si : H. Экспериментальные и расчетные данные по зонному спектру сверхрешеток при толщинах слоев a-Si : H 35 и a-SiNx : H 5 совпадают при описании моделью взаимодействующих квантовых ям при m =(0.36 ± 0.1)m0. Сопоставление свойств сверхрешеток, получаемых последовательным осаждением слоев и нитризацией слоев a-Si : H, показало, что последние могут обладать более высоким ”структурным совершенством”.

Свойства периодических структур определяются не ные контакты из Al и Ni, последовательно напыленных, только составом и толщинами слоев, но и свойствами в виде гребенки поверх слоев или с перекрытием в интерфейсов между слоями [1–4]. Обычно используе- специально созданных прорезях, проходящих через всю мые методы создания периодических структур основаны структуру.

на последовательном осаждении слоев различных матеТолщина слоев аморфного кремния в периодических риалов [5,6]. Представляет интерес поиск и изучение структурах была менее 50 и находилась исходя из новых возможностей создания периодических структур скорости осаждения, определенной в свою очередь при на основе получения нового вещества путем модивыращивании слоев порядка 400 1200 из измерений фикации состава ранее осажденного слоя, что может in situ толщины a-Si : H по интерференции лазерного быть особенно полезным для формирования структур с излучения на длине волны = 0.6328 мкм. Точность тапониженной размерностью, в частности, сверхрешеток кого способа определения была подтверждена изучением (СР). Возможность получения многослойных струк кинетики осаждения a-Si : H и практическим совпадением тур a-Si : H a-SiNx : H методом послойной нитридизации (в пределах ±2 ) толщин слоев в решетках на уровне a-Si : H в плазме NH3 показана в работе [7]. Однако 80 130, найденных по скорости осаждения и по данкинетика образования нитридизированных слоев, а также ным рентгеновского анализа методом полного внешнего оптические, электрические, фотоэлектрические свойства отражения.

структур с такими слоями практически не изучены.

Оптические свойства (спектральные зависимости поВ настоящей работе представлены результаты исслеказателей преломления ns и поглощения s, коэффицидования процессов формирования и свойств нитридизиент поглощения ), параметры зонной структуры слоев рованных слоев a-Si : H, а также периодических структур a-Si : H и толщина полученного нитридизированного слоя типа a-Si : H a-SiNx : H, полученных послойной частичdN в многослойных периодических структурах определяной нитридизацией a-Si : H.

лись в области фундаментальной полосы поглощения по Структуры изготавливались путем чередования проспектральным зависимостям коэффициентов отражения цессов плазмохимического осаждения аморфного креми пропускания.

ния и последующей его модификации в плазме высокочиЗадача определения ns и s осложнялась тем, что для стого газообразного аммиака. Температура подложки при их поиска необходимо знание толщин диэлектрических нитридизации была порядка 300320C, скорость потока прослоек dN, которые в исследуемых структурах могут аммиака 2 л/ч, давление в реакционной камере 25 Па.

составлять единицы ангстрем [7]. С этой целью была Высокочастотная мощность изменялась от 15 до 30 Вт.

разработана методика на основе вычислительного эксГазом — разбавителем служил гелий. Время нитридиперимента с использованием метода прямой оптимизазации варьировалось от 1 до 60 мин, формировалось от ции [8]. В качестве целевой функции выбрана сум10 до 22 пар слоев. В качестве подложек использовама квадратов отклонений экспериментально полученных лись пластины монокристаллического кремния, а также значений коэффициентов отражения и пропускания от оптически полированных кварца и стекла, покрытых плазмохимически осажденным a-SiNx : H, с гребенчаты- расчетных. Область поиска параметра dN определялась ми электродами из напыленных слоев хрома. Образцы из дополнительных физических соображений, накладыдля исследования электрических и фотоэлектрических ваемых на величины ns, s в коротковолновой области свойств при комнатной температуре имели дополнитель- фундаментальной полосы поглощения.

330 Д.И. Биленко, О.Я. Белобровая, Ю.Н. Галишникова, Э.А. Жаркова, Н.П. Казанова...

Данная методика позволяет определить показатели преломления и поглощения слоев a-Si : H и толщину нитридизированного слоя в периодических структурах с погрешностью ±5% и ±1, соответственно, и скорректировать толщину слоя a-Si : H, полученную по скорости осаждения. Расхождения между толщинами слоев a-Si : H, определенными в ходе процесса и по расчетам оптических свойств, находились в пределах единиц ангстрем.

По найденным спектральным зависимостям показателя преломления и коэффициента поглощения рассчитывались параметры зонной структуры слоев a-Si : H в решетках с нитридизированными прослойками: ширина запрещенной зоны Eg и характеризующий размытие краев зон параметр Урбаха E0. Концентрация связей SiH, SiN, NH, SiO и общая концентрация связанного водорода CH в структурах с толщиной слоев a-Si : H более определялись по соответствующим полосам поглощения в инфракрасном диапазоне с учетом сечений поглощения соответствующих связей [9]. Для структур с толщинами слоев a-Si : H менее 1000 концентрация водорода находилась по зависимости Eg(CH), полученной в [10].

Рис. 1. Зависимость толщины образующего слоя a-SiNx : H от В ходе образования структур снималась зависимость времени нитридизации.

сопротивления структуры от времени. Измерения сопротивления R проводились через определенный промежуток времени в процессе нанесения и нитридиза1. Кинетика процесса нитридизации аморфного кремции слоев a-Si : H при выключении высокочастотного ния на начальной стадии может быть аппроксимирогенератора. При используемом расположении контаквана параболическим законом с начальным временем тов на подложке сопротивление в плоскости струкзапаздывания (рис. 1). Была получена эмпирическая туры определяется не только сопротивлением вдоль зависимость:

слоев a-Si : H, но и сопротивлением нитридизированdN = 210tN - 600, (1) ных прослоек кремния в поперечном направлении RN.

По зависимости сопротивления структуры R от чи- где dN — толщина слоя a-SiNx : H в, tN — время сла пар слоев M, используя модель проводимости, нитридизации в минутах. Соотношение (1) справедливо основанную на учете легирования переносом и ре- для толщин нитрида кремния, меньших 50, что сокуррентное соотношение, связывающее R с сопроти- ответствует времени нитридизации, меньшему 15 мин.

влениями слоев a-Si : H и RN [11], находили параме- Относительная погрешность описания кинетики соотнотры многослойной периодической структуры: высоту шением (1) в этой области менее 10%. В дальнейшем потенциального барьера на границе с подложкой e0, скорость нитридизации аморфного кремния уменьшаетпроводимость структуры с бесконечно большим чи- ся, а толщина образовавшегося слоя нитрида кремния слом пар 0, эффективную толщину слоя обеднения стремится к насыщению.

в нитридизированных слоях кремния xN и сопротивле- Полученные данные свидетельствуют о том, что скония RN. рость нитридизации аморфного кремния определяется На готовых структурах, в которых электроды замы- скоростью массопереноса азотсодержащих частиц или кали слои a-Si : H, измерялись полевая и временная исходного материала в объеме образующегося нитрид зависимости темновой проводимости и фотопроводимо- ного слоя. По мере роста пленка нитрида кремния сти, по которым определялись отношение d,ph/d и становится препятствием для движения частиц, и при доостаточная фотопроводимость (ОФП). За меру ОФП стижении определенной толщины процесс нитридизации принята величина Q = (d,ph - d0)/d0, в которой практически прекращается. Природа времени запаздываd0 — темновая проводимость перед фотовозбуждением, ния образования нитрида кремния при нитридизации в d,ph — темновая проводимость после фотовозбуждения настоящее время не выяснена.

при достижении долговременного стабильного значе- 2. Установлено, что нитридизация может изменять ния [10]. Фотовозбуждающее излучение — близкое к свойства остающегося слоя аморфного кремния. Эти излучению источника типа АМ-1. изменения тем существеннее, чем длительнее нитридиКонтролируемое проведение процессов и исследова- зация и меньше толщина остающегося слоя. Это прония готовых слоев позволили получить новые сведения является в ряде свойств, связанных с разупорядочением о кинетике процесса нитридизации и свойствах нитриди- и потерей водорода. Толщины слоев a-Si : H перед нитризированных слоев кремния. дизацией варьировались от 70 до 300. По мере увелиФизика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Свойства периодических структур a-Si : H/a-SiNx : H, полученных нитридизацией слоев... времени может быть представлена как = 0 exp -e0 kT 1/dN (tN) dn(tN) +ds(tN)N s 1/ exp -, xN ds(tN) =ds0 -dN(tN), (2) где ds(tN), dN(tN) —толщины слоев a-Si : H и нитрида кремния при нитридизации в соответствии с (1); ds0 — исходная толщина слоя a-Si : H перед процессом нитридизации; N, s — диэлектрические проницаемости нитрида кремния и аморфного кремния.

Соотношения (1), (2) по экспериментальным зависимостям сопротивления a-Si : H в ходе нитридизации от времени позволили определить значения параметров e0, xN, 0. Расчет проводился по критерию наименьших квадратов относительных отклонений экспериментальных значений сопротивления от расчетных при вариации Рис. 2. Концентрация водорода и ширина запрещенной зоны в величин искомых параметров в широком диапазоне знаоставшемся после нитридизации слое a-Si : H в зависимости от чений. На рис. 3 вместе с экспериментальными приведевремени нитридизации.

ны и расчетные временные зависимости сопротивления a-Si : H в ходе нитридизации. На вставке рис. 3 показана чения времени нитридизации изменяются все свойства aSi : H: уменьшается амплитуда максимума коэффициента отражения в области межзонных переходов, при этом максимум отражения сдвигается в область низких частот;

растет величина параметра E0 и уменьшается величина Eg. Зависимость Eg(tN) представлена на рис. 2, на котором также дана зависимость концентрации водорода в слоях a-Si : H от времени нитридизации. Как видно, CH в a-Si : H уменьшается от 15 до 3 4% через 45 мин нитридизации, и материал приближается по свойствам к негидрированному аморфному кремнию. Уход водорода ведет к разупорядоченности сетки a-Si : H, что проявляется в росте E0 (до 0.22 эВ) и соответственно в росте концентрации оборванных связей.

3. Характерной особенностью снятой при нитридизации in situ зависимости сопротивления (R) слоя a-Si : H от времени является прохождение сопротивления через минимум с дальнейшим ростом и насыщением (рис. 3).

Резкое, на 1–2 порядка, уменьшение сопротивления структуры наблюдается при осаждении 2-го слоя a-Si : H на нитридизированный 1-й слой.

Возможным объяснением наблюдаемого минимума сопротивления структуры при нитридизации может быть конкуренция двух явлений: уменьшения сопротивления слоя a-Si : H за счет его легирования переносом из Рис. 3. Зависимость сопротивления структуры a-Si : H нитриобразующегося нитрида кремния [5] и возрастание содизированный слой a-Si : H от времени в процессе осаждения противления слоя a-Si : H вследствие уменьшения его и нитридизации слоев. Толщины ds0 1-го и 2-го слоев a-Si : H:

толщины при преобразовании части слоя a-Si : H в нитрид 1 —70 300 ; 2 —70 1600. Стрелками отмечены накремния. С учетом этого и выражения для проводимости чало и конец нитридизации. На вставке — зависимость сопропериодической структуры [5,11] зависимость проводимо- тивления двухслойной структуры a-Si : H нитридизированный сти одного слоя a-Si : H в ходе его нитридизации от слой от dN согласно (1); сплошная линия — расчетная.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 332 Д.И. Биленко, О.Я. Белобровая, Ю.Н. Галишникова, Э.А. Жаркова, Н.П. Казанова...

зависимость сопротивления двухслойной структуры от толщины растущего слоя нитрида кремния. Среднеквадратичные относительные отклонения экспериментальных значений от расчетных не превышают 9.5%, что свидетельствует о хорошем соответствии принятой модели реальному процессу. Таким образом были определены значения параметров структуры: e0 =(0.20 ± 0.01) эВ, xN =(50 ± 1), 0 =(8.6 ±0.1) · 10-3 Ом-1 · см-1.

4. Данные при комнатной температуре показали, что в двуслойных структурах a-Si : H a-SiNx : H получены совершенные границы между слоями при длительности нитридизации первого слоя a-Si : H не более 10 мин. В этих структурах усредненное удельное сопротивление T 7 · 108 Ом · см, фотопроводимость ph/d 105 при использовании источника АМ-1 и практически нулевая остаточная фотопроводимость (Q 0.01). Увеличение времени нитридизации первого слоя a-Si : H, вероятно, приводит к разупорядочению границы и изменению Рис. 4. Зависимость сопротивления сверхрешеток aсвойств материала, что проявляется в увеличении остаSi : H a-SiNx : H от числа пар слоев в процессе формироточной фотопроводимости до Q = 1 2 и согласуется с вания слоев. Кружками отмечены слои a-SiNx : H. Струквозрастанием параметра Урбаха до E0 0.20.25 эВ по туры: 1 — кварц (СР)N (ds = 55, dN = 5 );

сравнению с E0 0.1 0.15 при tN 3мин.

2 — стекло (a-SiNx : H)p (СР)N (ds = 35, dN = 5 );

Изучение кинетики нитридизации слоев a-Si : H позво- 3 — кварц (a-SiNx : H)p (СР)N (ds = 35, dN = 5 );

лило выбрать режимы получения многослойных перио4 —кварц (СР)p (ds = 30, dN = 50 ).

дических структур при послойной частичной нитридизации a-Si : H.

Проведенные исследования оптических и электрофии в решетках с плазмохимически осажденными слоязических свойств периодических структур в ходе их ми, (СР)p [6], наблюдается явление легирования пеобразования и после изготовления позволили установить реносом, что проявляется при измерении сопротивлеследующее.

ния in situ (рис. 4). При образовании сверхреше1. Толщина нитридизированных прослоек в периодичеток a-Si : H a-SiNx : H, в которых слои нитрида кремния ских структурах, определенная по спектрам пропускания получались путем нитридизации a-Si : H или плазмохии отражения, составляет 5 6 при времени нитридимического осаждения слоев, сопротивление структуры зации 3 мин.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.