WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 5 Формирование кремниевых нанокристаллов в слоях SiO2 при имплантации ионов Si с промежуточными отжигами © Г.А. Качурин, В.А. Володин, Д.И. Тетельбаум, Д.В. Марин, А.Ф. Лейер, А.К. Гутаковский, А.Г. Черков, А.Н. Михайлов Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия Нижегородский государственный университет, 603950 Нижний Новгород, Россия (Получена 22 июня 2004 г. Принята к печати 6 октября 2004 г.) Исследовано влияние отжигов при 1100C на ионно-лучевой синтез нанокристаллов Si в слоях SiO2. При сохранении общей дозы 1017 см-2 и длительности термообработок 2 ч отжиги проводились как однократно, так и после внедрения каждой половины или трети дозы. Обнаружено, что промежуточные отжиги приводят к длинноволновому сдвигу спектра рамановского рассеяния нанокристаллов и к коротковолному смещению спектра фотолюминесценции. Электронная микроскопия выявила снижение размеров нанопреципитатов, сопровождающееся исчезновением признаков кристалличности, однако фотолюминесценция оставалась типичной для нанокристаллов. Результаты объяснены преимущественным стоком атомов Si на вновь образующиеся кластеры, что согласуется с проведенным численным моделированием. Считается, что в фотолюминесценцию основной вклад вносят мелкие нанокристаллы, а рамановское рассеяние и электронная микроскопия регистрируют более крупные.

1. Введение мерами нанокристаллов CdS в стекле и Ge в SiO2 были использованы промежуточные отжиги, стимулиИсследования формирования и модификации свойств ровавшие зародышеобразование, но недостаточные для кремниевых наноструктур актуальны по трем причинам.

роста размеров наночастиц за счет диффузионного стока Во-первых, кремний является и останется в обозрии оствальдовского созревания. Мы полагали, что при мом будущем основным материалом микроэлектроники.

ионном синтезе промежуточные отжиги способны не Во-вторых, сохраняется главная тенденция микроэлектолько повлиять на формирование нанокристаллов, ни и троники — неуклонное сокращение размеров приборпозволят лучше понять сам механизм их формирования.

ных элементов с неизбежным вхождением в нанометЭто и предопределило тему исследований.

ровый диапазон. Наконец, обнаруженная способность кремниевых нанокристаллов излучать интенсивный ви2. Методика димый свет открывает перспективу создания кремниевых интегральных схем с электрической и оптичеИоны Si с энергией 140 кэВ имплантировали в слои ской обработкой информации. В настоящее время, как SiO2 толщиной 0.6 мкм, выращенные термически на правило, нанокристаллы Si формируют, используя их кремниевых подложках. Плотность ионного тока не самоорганизацию при распаде пресыщенного твердого превышала 5 мкА/см2. Ионный синтез проводился в трех раствора Si в SiO2. Наиболее перспективным методом вариантах так, чтобы во всех случаях сохранить одну подобного синтеза считается ионная имплантация [1–5].

и ту же дозу и сопоставимые термические бюджеты Режим получения нанокристаллов оказался достаточно отжига. Таким образом, имелись образцы трех типов, жестким — необходимы доза ионов Si 1017 см-2 и полученные в следующих режимах:

температура постимплантационного отжига 1100C.

1) доза 1017 см-2 с последующим однократным отжиВ последние годы стали разрабатываться методы, когом при 1100C в течение 2 ч;

торые могли бы стимулировать формирование нано2) доза 5 · 1016 см-2 с последующим отжигом при структур или направленным образом модифицировать 1100C в течение 1 ч, и затем эта процедура повторялась их свойства. К таким методам относятся легирование еще раз;

нанокристаллов [6,7], применение импульсных отжигов [4], введение дополнительных центров преципи- 3) доза 3.3 · 1016 см-2 с последующим отжигом при 1100C в течение 40 мин, и затем эта процедура повтотации [8,9], „горячая“ имплантация [10], отжиги под рялась дважды.

давлением [11] и др. Возможным способом повлиять на свойства нанокристаллов является изменение условий Все отжиги проводились в атмосфере азота. Согласно их самоорганизации. Известно, что распад твердых рас- расчетам пробегов ионов по программе TRIM-95 для творов протекает в три стадии: образование устойчивых дозы 1017 см-2 в максимуме распределения концензародышей, диффузионно- (или реакционно-) лимити- трация избыточных атомов Si составляла 10 ат%.

руемый рост их размеров и созревание преципитатов Образцы исследовались методами фотолюминесценции по Оствальду. В работах [12,13] для управления раз- (ФЛ), рамановского рассеяния и высокоразрешающей Формирование кремниевых нанокристаллов в слоях SiO2 при имплантации ионов Si... сигнала от кремниевой подложки была выбрана квази обратная геометрия рассеяния Z(XX)Z, где Z — направление 001, X — направление 100. Спектры как рамановского рассеяния, так и ФЛ снимались при комнатной температуре. Поперечные срезы готовили по стандартной методике, а электронно-микроскопические исследования были проведены на микроскопе JEM-4000EX фирмы JEOL.

3. Результаты На рис. 1 показаны спектры рамановского рассеяния от образцов, полученных при трех режимах ионнолучевого синтеза нанопреципитатов. После имплантации полной дозы ионов Si и отжига вблизи полосы 520 см-1, обусловленной рассеянием от кристаллической кремниевой подложки, появлялся четко выраженный дополнительный пик с максимумом около 510 см-1. Он свидетельствует об образовании нанокристаллов Si. Кроме того, просматривается слабая широкая полоса рассеяния в области с центром вблизи 480 см-1, где рассеивают связи Si–Si аморфного кремния. Переход на режим имплантации с одним промежуточным отжигом существенно меняет спектр. Интенсивность дополнительного пика Рис. 1. Спектры рамановского рассеяния образцов, полученсильно понижается, а его максимум смещается в длинноных в режимах 1 (a), 2 (b) и 3 (c).

волновую область к 507 см-1. Отмеченные тенденции в еще большей степени проявились после ионного синтеза с двумя промежуточными отжигами. Как видно электронной микроскопии на поперечных срезах. Для из рис. 1, дополнительное рассеяние, присущее кремвозбуждения ФЛ использовался азотный лазер с длиной ниевым квантово-размерным кристаллам, практически волны излучения = 337 нм, а регистрация проводилась полностью исчезает. Существует лишь некоторый намек с помощью фотоумножителя ФЭУ-79. Все спектры на дополнительное рассеяние около 504 см-1, но его нормировались на спектральную чувствительность интенсивность сопоставима с шумами. Для наглядности аппаратуры. Рамановское рассеяние возбуждалось излу- изменения в спектрах проиллюстрированы нанесенными чением аргонового лазера с = 514 нм. Для снижения гауссианами.

Рис. 2. Электронная микроскопия высокого разрешения на поперечных срезах образцов, полученных в режимах 1 (a), 2 (b) и 3 (c). а: после фурье-фильтрации на выделенном участке выявляется кристалличность включений.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 584 Г.А. Качурин, В.А. Володин, Д.И. Тетельбаум, Д.В. Марин, А.Ф. Лейер, А.К. Гутаковский...

ватели связывают ее с излучательной рекомбинацией в образующихся квантово-размерных кристаллах кремния.

Имплантация с одним промежуточным отжигом приводила к некоторому снижению интенсивности свечения, причем заметного смещения максиума не происходило.

Набор дозы 1017 см-2 в три приема ведет к дальнейшему понижению интенсивности ФЛ, и здесь уже становится заметным коротковолновое смещение максимума полосы к 785 нм. Таким образом, использование двух промежуточных отжигов снижало интенсивность ФЛ всего в 2 с небольшим раза, в то время как возможности обнаружения признаков нанокристаллов по рамановскому рассеянию или с помощью высокоразрешающей электронной микроскопии практически исчерпывались.

4. Обсуждение результатов Отличительной особенностью ионно-лучевого синтеза кремниевых квантовых точек с промежуточными отжигами является то, что предшествующая стадия создает потенциальные стоки для атомов Si, вводимых на последующем этапе. Для таких атомов при отжигах должны появиться две возможности — образовать новые устойчивые нанопреципитаты (стоки) либо диффундировать Рис. 3. Спектры фотолюминесценции образцов, полученных в к ранее созданным и обеспечить рост их размеров.

режимах 1 (a), 2 (b) и 3 (c).

Рост размеров нанокристаллов должен смещать пик рамановского рассеяния к 520 см-1, т. е. к длине волны рассеяния объемным кремнием. С уменьшением размеПо данным высокоразрешающей электронной микроров пик будет смещаться в длинноволновую область к скопии, на поперечном срезе однократное введение дозы значениям, характерным для рассеяния на связях Si–Si в 1017 см-2 приводит после отжига к образованию кремниаморфном Si ( 480 см-1). С укрупнением нанокристалевых нанопреципитатов, у которых выявляется кристаллов полоса ФЛ, обусловленная квантово-размерными лическая структура (рис. 2, a). Размеры нанокристаллов ограничениями, должна смещаться в длинноволновую составляют 4-5 нм, а плотность (1011-1012) см-2.

область. Проведенные оптические измерения указывают Если доза набиралась с промежуточными отжигами, в не на увеличение, а на уменьшение размеров нанокриSiO2 были видны нанопреципитаты в виде темных пятен сталлов при использовании промежуточных отжигов. Об на изображении скола. Выявить в них признаки кристалуменьшении размеров напрямую свидетельствуют и данлической структуры не удается. Подобные пятна наблюные электронной микроскопии (рис. 2). По-видимому, дались ранее неоднократно разными исследователями, при промежуточных отжигах атомы Si осаждаются прекогда условия синтеза оказывались недостаточными для имущественно на вновь создаваемые стоки, каковыми формирования различимых нанокристаллов [5,14–16].

являлись первичные кремниевые кластеры. В связи с Промежуточные отжиги приводят к уменьшению сред- этим интересно было оценить вероятности связывания них размеров преципитатов до (3-4) нм и к некотороатомов Si в подобные кластеры, их количество и разму снижению их концентрации (рис. 2, b, c). Делать здесь меры в зависимости от концентрации имплантируемого какие-либо количественные сравнения затруднительно избыточного Si. Оценка проводилась методом числениз-за малости площади обзора.

ного моделирования. Схема расчетов методом МонтеСпектры ФЛ после ионно-лучевого синтеза в каждом Карло была аналогична изложенной в [17], однако на из трех режимов представлены на рис. 3. В отличие этот раз задача решалась не в двумерном пространстве, от данных по рамановскому рассеянию и электронной а для трехмерной тетраэдрической сетки, содержавшей микроскопии, где при использовании промежуточных от- 106 узлов (соответствует объему 2 · 10-17 см3). Исжигов существенно ослаблялись признаки присутствия пользовались циклические граничные условия. Результакремниевых нанокристаллов, их люминесценция оказа- ты моделирования представлены на рис. 4. Видно, что в лась затронута в меньшей степени. В случае имплан- интервале избыточных концентраций 0-20 ат% с ростом тации полной дозы с последующим отжигом в спектре дозы вероятность связывания кремния быстро увеличивозникала интенсивная полоса с максимумом вблизи вается, но даже при пересыщении 10 ат% около полови795 нм. В настоящее время практически все исследо- ны атомов Si остаются свободными. Преобладающим тиФизика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Формирование кремниевых нанокристаллов в слоях SiO2 при имплантации ионов Si... где обеспечивались условия, необходимые для синтеза нанокристаллов Si, подобные полосы всегда наблюдались на длинах волн >700 нм [1–9,19]. В противном случае возможна лишь регистрация широкой полосы ФЛ с <700 нм и весьма малой интенсивностью [2].

Мы полагаем, что подобные изменения ФЛ связаны с потерей кристаллического совершенства Si в сверхмалых объемах. Согласно [20], для кремния минимально возможный размер нанокристаллов должен составлять 2-3 нм из-за деформирующего воздействия поверхностного слоя на решетку. О существовании в нанокристаллах переходного поверхностного слоя толщиной 1нм сообщалось в работах [18,21–23]. По расчетам [22] поверхностный слой оказывает сжатие, и для сохранения алмазной решетки диаметр кремниевого кластера Рис. 4. Доля связанных атомов Si (a) и число кремниевых должен быть не менее 2.3-2.8нм (300-500 атомов).

кластеров размерами до 10 атомов (b), 25-30 атомов (c) и Понятно, что и в нанокристаллах большего размера 95-100 атомов (d) в зависимости от дозы Si по результатам решетка может быть возмущена. Например, в эксперичисленного моделирования.

ментах [21] обнаружено, что в ионно-синтезированных нанокристаллах Ge размером до 14 нм длины связей и углы между ними немного отличаются от таковых в идепом выделений оказываются очень мелкие кластеры — альном тетраэдре объемного материала. Все это затруддо 10 атомов. Кластеров размером 25-30 атомов при няет идентификацию мелких нанокристаллов методами пересыщении 4 ат% образуется 100 (концентрация рамановского рассеяния и электронной микроскопии.

5 · 1018 см-3), а кластеров размером 95-100 атомов около 10 ( 5 · 1017 см-3). Наблюдающееся сни5. Заключение жение числа кластеров при больших дозах вызвано их укрупнением, слиянием или превышением размеров Эксперименты с введением промежуточных отжигов расчетного пространства. Если сопоставить расчетные при наборе дозы 1017 см-2, используемой для формиконцентрации кластеров с экспериментально наблюдарования кремниевых нанокристаллов, показали следуемыми после отжига концентрациями нанокристаллов ющее. Промежуточные отжиги не приводят к росту (1016-1017) см-3, представляется вполне вероятным, размеров нанокристаллов за счет диффузионного сточто для вводимых атомов Si ближайшими стоками ка на них вновь введенных избыточных атомов Si.

будут именно вновь образующиеся кластеры, а не ранее Напротив, такие отжиги понижают средние размеры сформированные нанокристаллы. В результате использокремниевых нанокристаллов со сдвигом максимума равание промежуточных отжигов приводит к уменьшению мановского рассеяния в длинноволновую область, а пика средних размеров нанокристаллов с соответствующими ФЛ — в коротковолновую. По данным электронной изменениями их оптических характеристик.

Уменьшение нанокристаллов с введением промежу- микроскопии средние размеры выделений уменьшаютточных отжигов вызывает разную реакцию измеритель- ся от (4-5) нм до (3-4) нм. Причиной является высокая вероятность зародышеобразования во всех исных методик на изменения режимов ионного синтеза.

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.