WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 5 Фотолюминесценция пленок Si3N4, имплантированных ионами Ge+ и Ar+ ©И.Е. Тысченко, В.А. Володин, Л. Реболе, М. Фельсков, В. Скорупа Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия Институт ионно-лучевой физики и материаловедения, Исследовательский центр Россендорф, Дрезден, Германия (Получена 25 августа 1998 г. Принята к печати 9 сентября 1998 г.) Спектры эмиссии и возбуждения фотолюминесценции при комнатной температуре пленок Si3N4, имплантированных ионами Ge+ иAr+, исследованы в зависимости от дозы ионов и температуры последующего отжига.

Установлено, что внедрение связеобразующих атомов Ge при отжиге вплоть до температуры Ta = 1000C стимулирует образование центров, излучающих в зеленой и фиолетовой областях спектра. Имплантация инертных ионов Ar+ вносит преимущественно безызлучательные дефектные центры. Сравнительный анализ спектров фотолюминесценции данных резерфордовского обратного рассеяния и спектров комбинационного рассеяния показывает, что излучательная рекомбинация связана не с квантово-размерными эффектами в нанокристаллах Ge, а скорее с рекомбинацией на дефектах Si-Si, Si-Ge и Ge-Ge.

Введение переходов. В литературе высказывается предположение о связи всех этих полос ФЛ с Si–Si-дефектами в нитриде В последнее время все больший интерес привлекает кремния [7,10]. Однако для подтверждения гипотезы неисследование термически выращенных на кристаллиобходимы дальнейшие экспериментальные исследования.

ческом кремнии пленок диоксида кремния, имплантиВ литературе иногда высказываются мнения о прерованных ионами Si+ или Ge+ [1–4], как материала, имуществах пленок Si3N4 по сравнению с SiO2 для излучающего при комнатной температуре в видимой создания светоизлучающих материалов на основе кремобласти спектра и наиболее совместимого с кремниевой ния [11]. Однако данные о создании таких материалов интегральной технологией. Слои Si3N4 также широко и исследование их свойств практически отсутствуют.

используются при изготовлении кремниевых приборов.

Ранее намибыла обнаружена мощнаяполоса фиолетовой Этот диэлектрик обладает целым рядом замечательных фото- и электролюминесценции пленок SiO2, имплантисвойств, которые позволяют применять его, например, в рованных ионами Ge+ [12], природа которой связывалась качестве маскирующих пленок, при LOCOS-технологии нами с центрами Si–Si и Ge–Si в сетке диоксида (локальное окисление кремния) и пр., когда необходимо кремния. Сведений о модификации оптических свойств снизить проникновение в активную область кремниенитрида кремния под действием ионной бомбардироввой пластины различных примесей [5]. При изучении ки в настоящее время в литературе практически нет.

оптических свойств пленок нитрида кремния, выращенТакие исследования позволили бы, с одной стороны, ных различными способами, было обнаружено несколько получить информацию о возможности практического полос фотолюминесценции (ФЛ) в видимом диапазоне применения их в качестве источников излучения, а с спектра, интенсивность и энергетическое положение кодругой стороны, прояснить природу наблюдаемых полос торых несколько различались, в зависимости от способа фотолюминесценции. В данной работе с целью выясосаждения этих пленок. Авторами работ [6–8] была нения вклада собственных дефектов, генерированных обнаружена широкая полоса ФЛ в области длин волн ионной имплантацией, а также связеобразующих атомов = 450 600 нм (энергии фотона = 2.75 2эВ), в процессы формирования светоизлучающих центров в которая возбуждается в пленках нитрида кремния, выранитриде кремния, мы провели исследование ФЛ при щенного различными способами, при комнатной темпекомнатной температуре выращенных на пластинах моратуре. Увеличение энергии возбуждающего кванта от нокристаллического кремния пленок Si3N4, имплантиро ex = 4эВ (длина волны 310 нм) до ex = 5.3эВ ванных ионами Ar+ и Ge+.

( 230 нм) приводит к увеличению относительной интенсивности зеленой линии по сравнению с фиолетовой [9]. При этом максимум возбуждения фиолето- Методика экспериментов вой полосы наблюдается при энергиях 4.8 4.6эВ (260 270 нм), а зеленой сдвинут в область больших Исходные подложки представляли собой пластины энергий — около 5.2 эВ (240 нм). Красная линия ФЛ монокристаллического кремния n-типа проводимости с также возбуждается при энергии 4.6эВ ( 270 нм). удельным сопротивлением 3 10 Ом · см ориентации Природа этих полос ФЛ до сих пор остается невы- {100}. Слои Si3N4 толщиной 300 нм были напылены в ясненной. Малые времена релаксации этих полос ФЛ реакторе пониженного давления из смеси NH3+SiH2Cl(10-7 10-8 c) указывают на внутрицентровый характер при температуре 775C. Перед осаждением нитрида 560 И.Е. Тысченко, В.А. Володин, Л. Реболе, М. Фельсков, В. Скорупа кремния на кремниевых пластинах был выращен переходный слой окисла толщиной 25 нм. Имплантация пленок нитрида кремния проводилась ионами Ge+ с энергией 150 кэВ, либо ионами Ar+ с энергией 100 кэВ. Дозы ионов в каждом случае были 0.5·1016 см-2 (малая доза — LD), 1.4·1016 см-2 (средняя доза — MD) и4.2·1016 см-(высокая доза — HD). Параметры ионов выбирались таким образом, чтобы максимум их распределения находился внутри пленки нитрида кремния, а максимальные концентрации внедренных атомов при соответствующих дозах были равными. Температура подложки во время облучения во всех случаях поддерживалась -(145155)C за счет охлаждения жидким азотом. Плотность ионного тока составляла 0.51.0мкА/см2. Последующие отжиги проводились при температурах Ta = 400 1300C в течение 30 мин в атмосфере N2. Спектры ФЛ и спектры возбуждения ФЛ измерялись при комнатной температуре на установке ”Spex Fluoromax”. Источником возбуждающего излучения служила ультрафиолетовая лампа, нужная длина волны выделялась монохроматором. Распределение внедренных атомов исследовалось методом резерфордовского обратного рассеяния (RBS) ионов He+ с энергией 1.7 МэВ. Структурные изменения в ионно-имплантированных слоях контролировались методом комбинационного рассеяния.

Результаты Рис. 1. Спектры ФЛ пленок Si3N4 до (штриховая линия) и На рис. 1 представлены спектры ФЛ пленок Si3N4 после имплантации ионов Ge+, 150 кэВ, дозой 0.5 · 1016 см-имплантированных LD-ионами Ge+ и отожженных при (LD) и отжигов при Ta = 600 (1), 1000 (2) и 1200C (3) в температурах 6001200C. Здесь же представлен спектр течение 30 мин в атмосфере N2. Длина волны возбуждающего ФЛ от исходного, не имплантированного нитрида крем- излучения ex = 350 нм.

ния. Спектры возбуждались излучением с длиной волны ex = 350 нм ( ex 3.5эВ). Видно, что уже в неимплантированном нитриде кремния возбуждается видимая этом случае до исходного значения в процессе отжига ФЛ при комнатной температуре. При этом основной пик восстанавливалась лишь интенсивность зеленой полоФЛ находится в фиолетовой области спектра с максисы ФЛ, причем максимальный эффект достигался при мумом вблизи = 380 нм ( 3.2эВ). В зеленой Ta = 600C. Фиолетовая ФЛ в этом случае оставалась области спектра также наблюдается широкий пик вблизи подавленной. Такое поведение в зависимости от Ta спек = 520 нм ( 2.4эВ). Интенсивность этого пика тры ФЛ нитрида кремния, имплантированного ионами лишь в 2 раза меньше интенсивности фиолетовой полосы Ar+, проявляли независимо от дозы ионов (см. вставку ФЛ. Ионная имплантация Ge+ приводит к гашению этих на рис. 2). В то же время при имплантации ионов полос ФЛ. Последующие отжиги вновь восстанавливали Ge+ увеличение дозы ионов сопровождалось гашением интенсивность фиолетовой и зеленой ФЛ. Так, отжиг интенсивности ФЛ во всем исследованном диапазоне слоев, имплантированных ионами Ge+, приводил к тому, длин волн. На рис. 3 спектры ФЛ для трех доз ионов что уже после Ta = 600C интенсивность как зеленого, Ge+ представлены после отжига образцов при 1000C.

так и фиолетового пиков превышала их исходные знаПодобные зависимости наблюдались нами как до, так и чения и продолжала расти с увеличением Ta вплоть до после отжигов при различных температурах.

1000C. Энергетическое положение зеленого пика ФЛ при этом оставалось практически неизменным, а фиоле- На рис. 4 представлены спектры возбуждения пиков товый пик имел некоторое коротковолновое смещение. фиолетовой и зеленой ФЛ исходного нитрида кремния, Дальнейшее увеличение Ta до 1200C вновь приводило а также нитрида, имплантированного LD-ионами Ge+ к падению интенсивности ФЛ ниже исходного значения и отожженного при 1000C. Интересно отметить, что с дальнейшим смещением фиолетового пика в сторону спектры возбуждения как фиолетовой, так и зеленой коротких волн. Несколько иное поведение в зависимо- полос ФЛ имеют одинаковый вид, причем как для неимсти от Ta обнаруживают спектры ФЛ пленок нитрида плантированного, так и для имплантированного Si3N4.

кремния, имплантированных ионами Ar+ (рис. 2). В Во всех указанных случаях в спектрах возбуждения Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. Фотолюминесценция пленок Si3N4, имплантированных ионами Ge+ и Ar+ Рис. 2. Спектры ФЛ пленок Si3N4, неимплантированной (штриховая линия) и имплантированных ионами Ar+, 100 кэВ, дозой 1.4 · 1016 см-2 (MD) до (сплошная линия) и после отжигов при Ta = 400 (1), 600 (2), 1000 (3) и 1200C (4) в течение 30 мин в атмосфере N2. Длина волны возбуждающего излучения ex = 350 нм. На вставке — зависимость интенсивности ФЛ в максимуме при = 520 нм (I520) от температуры отжига для доз 0.5 · 1016 (LD) и 1.4 · 1016 см-2 (MD); горизонтальная штриховая линия — интенсивность ФЛ неимплантированного Si3N4.

ФЛ регистрируются максимумы вблизи ex = 270 нм проецированному пробегу Rp, на глубину 170 нм, ( ex 4.6эВ), 310 нм ( 4.0эВ) и 390 нм ( 3.2эВ). соответствующую приблизительно границе между перС целью выяснения закономерностей формирования воначально имплантированной и неимплантированной светоизлучающих центров мы исследовали методом RBS областями пленки Si3N4. Частично германий накаплипрофили распределения имплантированного германия по вается на границе раздела SiO2 / Si.

глубине d до и после отжигов при Ta = 4001300C. Эти Структурные свойства слоев мы изучали с помощью профили представлены на рис. 5 для случая HD-ионов комбинационного рассеяния. На рис. 6 показаны спектры Ge+. Видно, что вплоть до Ta = 1200C не происходит от пленок, имплантированных ионами Ge+, после отжига никакого диффузионного перемещения имплантирован- при температурах 600, 1000 и 1300Cв течение 30 мин.

ных атомов в нитриде кремния, и лишь отжиг при Эти спектры были сняты в геометрии Z(XY)Z, где X, Y, Ta = 1300C ведет к перераспределению германия по Z — оси, соответствующие направлениям (100), (010) всей толщине пленки. При этом основной максимум и (001). Вплоть до Ta = 1000C в спектрах комбинацираспределения смещается с глубины, соответствующей онного рассеяния не выявлено никаких особенностей по 4 Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 562 И.Е. Тысченко, В.А. Володин, Л. Реболе, М. Фельсков, В. Скорупа Это означает, что ионная имплантация нитрида кремния в сочетании с последующим отжигом вводит как излучательные, так и безызлучательные центры рекомбинации. Эти центры могут быть связаны как с дефектами, генерируемыми ионной бомбардировкой, так и с наличием высоких концентраций избыточных атомов Ge в матрице Si3N4. Важным экспериментальным фактом является сходство спектров возбуждения фиолетовой и зеленой полос ФЛ и их одинаковое поведение после имплантации ионов Ge+ и последующем отжиге. Наблюдаемое подобие спектров возбуждения нельзя отнести, например, к возможному проявлению эффекта интерференции в пленках нитрида кремния. Аналогичные пики в спектрах возбуждения фиолетовой, зеленой и красной полос ФЛ неимплантированных пленок Si3N4, выращенных другими методами и имеющих различные толщины, наблюдались и ранее в работах [6,13]. В наших экспериментах интенсивность зеленого и фиолетового пиков ФЛ растет одновременно с повышением Ta вплоть до 1000C. Практически неизменны при этом и спектры их возбуждения. Это указывает на связь полос с одним и тем же рекомбинационным центром. С другой стороны, не вызывает сомнений роль атомов Ge в образовании этих центров. Сопоставление данных по зависимости интенсивности ФЛ от дозы ионов Ge+ (рис. 2) и результатов комбинационного рассеяния (рис. 4) показывает, что центры, излучающие в фиолетовой и зеленой областях спектра, не связаны с нанокристаллами Ge и Рис. 3. Спектры ФЛ пленок Si3N4 до (штриховая линия) и могут содержать в своей структуре лишь минимальное после имплантации ионов Ge+, 150 кэВ, дозами 0.5 · 1016 (LD), количество атомов германия. Кроме того, данные RBS 1.4·1016 (MD), 4.2·1016 см-2 (HD) и отжига при Ta = 1000Cв свидетельствуют о том, что эти светоизлучающие центечение 30 мин в атмосфере N2. Длина волны возбуждающего тры формируются не за счет диффузионного стягивания излучения ex = 350 нм.

атомов Ge, а путем перестройки ближнего порядка в матрице Si3N4, например, через перестройку связей между ближайшими атомами. При этом роль атомов водорода в структуре данного центра, на которую укасравнению со спектрами исходного неимплантированнозывается автором работы [10], маловероятна. В пользу го Si3N4. Лишь отжиг при 1300C приводит к формиросказанного свидетельствует тот факт, что интенсивность ванию несимметричного пика с основным максимумом фиолетового и зеленого пиков ФЛ продолжает расти вблизи 300 см-1, соответствующего кристаллическому вплоть до Ta = 1000C. При столь высоких температурах германию, а также плеча в интервале волновых чисел присутствие водорода в пленках Si3N4 маловероятно.

-(295 280) см-1, природа которого до конца не ясна.

Наиболее вероятным источником наблюдаемых нами Возможны три различные причины возникновения плеча:

полос ФЛ мог бы служить, например, центр, который во-первых, наличие фазы аморфных включений Ge; вопо аналогии с кислородной вакансией в SiO2 можно вторых, формирование более мелких германиевых наносвязать с центром Si–Si в структуре нитрида кремния.

кристаллов; в-третьих, граница раздела нанокристаллиДействительно, предположение о существовании таких ческий германий–нитрид кремния.

центров было высказано в работе [14] при исследовании нестехиометрического нитрида кремния с избытком Si, Обсуждение а также в работе [15] при изучении оптического края поглощения нитрида кремния, имплантированного иоНаблюдаемые нами полосы фиолетовой и зеленой нами бора. Формирование этих центров происходит за ФЛ наблюдались ранее на неимплантированном Si3N4, счет рекомбинации трехкоординированных атомов Si• синтезированном различными способами. Однако, как при температурах последующего отжига Ta 600C.

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.