WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 6 О формировании нанокристаллов кремния при отжиге слоев SiO2, имплантированных ионами Si ¶ © Г.А. Качурин, С.Г. Яновская, В.А. Володин, В.Г. Кеслер, А.Ф. Лейер, M.-O. Ruault Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия CSNSM-CNRS/IN2P3, 91405 Orsay, France (Получена 1 августа 2001 г. Принята к печати 9 октября 2001 г.) Методами рамановского рассеяния, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и фотолюминисценции изучалось формирование нанокристаллов кремния в слоях SiO2, имплантированных ионами Si. Обнаружено, что при концентрациях избыточного кремния 3-14 ат% кластеры Si образуются сразу после имплантации. С ростом температуры последующего отжига сегрегация Si с формированием связей Si–Si4 усиливается, но рассеяние кластерами ослабевает. Эффект объяснен трансформацией рыхлых кластеров в компактные фазовые наноразмерные выделения Si, причем обнаруженный рамановский пик 490 см-1 связан с поверхностным рассеянием. Сегрегация Si завершалась к 1000C, однако типичная для нанокристаллов фотолюминесценция появлялась лишь после отжига 1100C. При этом возникало присущее нанокристаллам рассеяние в области 495-520 см-1, но сохранялся и „поверхностный“ пик 490 см-1. Считается, что нанокристаллы состоят из ядра и поверхностного слоя, который ответствен за повышенную температуру их кристаллизации.

1. Введение 2. Эксперимент Квантово-размерные кристаллы кремния привлекают В экспериментах использовались образцы двух тисейчас к себе большое внимание, что объясняется пов — слои SiO2 толщиной 80 нм, термически выкак непрерывным сокращением размеров элементов ращенные на Si (100), и пластины кварцевого стекла, микроэлектроники, так и обнаруженной способностью полированные с обеих сторон. Использование пластин нанокристаллов Si (нк-Si) излучать интенсивный видистекла SiO2 было вызвано желанием избавиться от сильмый свет. Обычно нк-Si получают в результате расного рассеяния кристаллической кремниевой подложкой пада пересыщенного твердого раствора при отжиге при рамановских измерениях. В пластины SiO2 ионы Si слоев SiO2, содержащих определенный процент избывнедрялись с энергией 150 кэВ дозами 5 · 1016 см-2, точного кремния [1–4]. Сильная фотолюминесценция 1017 см-2 и 2 · 1017 см-2, что соответствовало средним (PL) на границе видимой и инфракрасной областей концентрациям избыточного Si примерно 3, 6 и 12 ат%.

излучения наблюдается лишь в том случае, если избыДля того чтобы оценить роль дефектов в рассеянии, ток Si превышает 1021 см-3 ( 2ат%), а температура пластины SiO2 облучались также ионами Ar дозой отжига приближается к 1100C [5–7]. Это вызывает 2 · 1017 см-2 при энергии 150 кэВ. В термически выраряд вопросов по механизму формирования нк-Si, так щенных слоях SiO2 внедрением ионов Si обеспечивалась как, например, при диффузионно-контролируемом росредняя избыточная концентрация Si около 14 ат%. Рамасте кремниевых нановыделений можно, казалось бы, новское рассеяние возбуждалось Ar-лазером с длинной обойтись и меньшими концентрациями Si, и меньшиволны излучения = 514.5 нм в квазиобратной геометми температурами отжигов, увеличив их длительность.

рии без учета поляризации. Эти спектры, так же как и Очевидно, что для выяснения механизма формирования спектры PL, снимались при 20C. PL возбуждалась изнк-Si необходимо проследить за поведением избыточнолучением азотного лазера с = 337 нм. Для измерений го Si при отжиге с использованием методик, не только методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскофиксирующих появление светоизлучающих кристаллипии (XPS) верхняя половина имплантированного слоя тов, но и чувствительных к более ранним стадиям удалялась в растворе HF : H2O = 1 : 8. Это обеспечивало процесса.

контроль наиболее важной области при глубине выхода Цель данной работы заключалась в исследовании фотоэлектронов 2 - 3 нм. Измерения XPS были проповедения избыточного Si в SiO2 в широком интерведены на спектрометре MAC-2 (RIBER) с использовавале температур отжига с привлечением помимо PL нием немонохроматического источника рентгеновского методик рамановского рассеяния и рентгеновской фоизлучения MgK с энергией линии 1253.6 эВ. Разрешетоэлектронной спектроскопии, отвечающих указанным ние спектрометра составляло 0.5 эВ. Отжиги проводитребованиям.

лись в атмосфере азота или в вакууме длительностью ¶ E-mail: kachurin@isp.nsc.ru до 1 ч.

686 Г.А. Качурин, С.Г. Яновская, В.А. Володин, В.Г. Кеслер, А.Ф. Лейер, M.-O. Ruault всех случаях сохранялся, а после средней дозы он даже заметно возрос при неизменном спектральном положении максимума. В образцах, имплантированных дозой 2 · 1017 см-2, рассеяние на обоих краях спектра Рис. 1. Спектры XPS для слоя термически выращенного SiO2 (1) и после имплантации в него ионов Si (2) с последую щими отжигами, C: 3 — 500, 4 — 650, 5 — 1000, 6 — 1150.

3. Результаты В исходных термически выращенных слоях SiOметодом XPS выявлена единственная линия 103 эВ, соответствующая атомом Si, связанным с 4 атомами O.

После имплантации ионов Si наблюдалось уширение полосы 103 эВ и появление в спектре „хвоста“ справа, где, как известно, располагаются полосы Si–Si1 (102.3 эВ), Si–Si2 (101.3 эВ), Si–Si3 (99.9 эВ), Si–Si4 (99.4 эВ). Они Рис. 2. Спектры рамановского рассеяния пластин SiO2 после свидетельствуют о наличии кремниевых атомов с разной облучения ионами Ar (пунктир) и Si (кривые 1–3) дозами, степенью окисления. По мере роста температуры отжига 1017 см-2: 1 —0.5, 2 —1, 3 —2.

полоса Si-O4 возвращалась к первоначальной ширине, а в спектре все выраженнее становилась полоса четырехкоординированного Si (99.4 эВ), которую можно считать мерой выделения фазы кремния (рис. 1). Как видно из рис. 1, выделение кремния в основном завершается к 1000C и повышение температуры отжига до 1150C мало что меняет в этом отношении.

Спектры комбинационного рассеяния после внедрения ионов Si и Ar показаны на рис. 2. После внедрения ионов Si в спектрах появились особенности, зависевшие от дозы и не возникавшие в случае бомбардировки ионами Ar. Обшим для всех спектров образцов, облученных Si, было появление пика с максимумом 490 см-и более слабой, но очень широкой ( 510 - 450 см-1) полосы, максимум интенсивности которой приходился на область 480 см-1. С ростом дозы Si рассеяние росло, причем у широкой полосы больше увеличивалась низкочастотная часть.

Результаты отжига при 800C представлены на рис. 3.

Хотя по данным XPS (рис. 1) сегрегация Si из SiOс температурой отжига усиливается, для всех доз наблюдалось ослабление широкой полосы рамановского рассеяния. В случае малой дозы для волновых чисел более 500 см-1 и менее 470 см-1 оно практически вышло на уровень фона. Одновременно для малой и Рис. 3. Спектры рамановского рассеяния пластин SiO2 после средней доз видно оформление выступа вблизи 480 см-1, облучения ионами Si и отжига при температуре 800C в где рассеивает аморфная фаза Si. Пик 490 см-1 во течение 30 мин. Дозы Si, 1017 см-2: 1 —0.5, 2 —1, 3 —2.

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. О формировании нанокристаллов кремния при отжиге слоев SiO2, имплантированных ионами Si что пик 490 см-1 сохранился, но рассеяние справа от него исчезло и появились выступы слева, где должны рассеивать нанокристаллы. Для доз 5 · 1016 см-2 и 1017 см-2 выступы видны у значений 495 и 500 см-соответственно. Рассеяние вблизи 520 см-1 в обоих случаях выходит на уровень фона. Лишь после внедрения дозы 2 · 1017 см-2 появилось высокочастотное рассеяние, которое можно представить как широкий пик 515 см-1 ± 10 см-1. Напомним, что объемный кристаллический Si дает линию 520 см-1 с шириной 3.6см-1.

Интенсивная полоса PL в длинноволновой части видимого диапазона, традиционно приписываемая квантоворазмерным кремниевым кристаллам, появилась после отжига 1100C (рис. 5). С ростом концентрации Si максимум излучения смещался в длинноволновую область спектра от 750 до 850 нм. Следует также отметить, что рост средней концентрации Si от 3 до 14 ат% приводил к падению интенсивности люминесценции. В более коротковолновой части спектра вплоть до 450 нм других полос эмиссии после отжига 1100C обнаружено не было.

Рис. 4. Спектры рамановского рассеяния пластин SiO2 после облучения ионами Si и отжига при температуре 1100C в течение 30 мин. Дозы Si, 1017 см-2: 1 —0.5, 2 —1, 3 —2.

4. Обсуждение результатов Полученные данные позволяют лучше представить себе особенности формирования нк-Si при отжиге и понять специфические зависимости процесса от концентрации кремния и температуры отжига. Из спектров XPS (рис. 1) видно, что в имплантированных слоях существуют различным образом координированные атомы избыточного Si — от Si–Si1 до Si–Si4. Таким образом, избыточный кремний изначально присутствует в виде кластеров. Широкая полоса рамановского рассеяния между 510 и 450 см-1 обусловлена скорее всего именно кластерами Si (рис. 2). Это можно аргументировать следующим образом. Полоса не связана с радиационными нарушениями в SiO2, так как после облучения Ar и образования более тяжелых ионов Ar+, у которых затраты на дефектообразование много выше, она не сформировалась. Кроме того, интенсивность рассеяния росла с увеличением дозы облучения ионами Si, а центр полосы лежал вблизи 480 см-1, где рассеивают связи Si–Si аморфного Si. Экспериментальные данные работ [8,9] и расчеты возможных линий рассеяния различными кластерами Si [10] согласуются с предположением о кластерной природе полосы. Специфика доз, Рис. 5. Спектры фотолюминесценции пластин SiO2 (крипосле которых возможно формирование нк-Si, состоит вые 1, 2) и термически выращенного слоя (кривая 3), импланв том, что они обеспечивают концентрации избыточтировнных ионами Si до средних концентраций, ат%: 1 —3, ного Si порядка 1021 см-3. При средних расстояниях 2 — 12, 3 — 14. Отжиг при температуре 1100C.

между избыточными атомами Si 1 нм резко возрастает вероятность флуктуационного образования кремниевых оставалось значительным и на фоне широкой полосы пик кластеров еще до отжига. Мы полагаем, что наличие 490 см-1 был менее выражен.

кластеров-зародышей является обязательным условием На рис. 4 показаны спектры рассеяния после отжига гомогенного распада твердого раствора при отжиге с при температуре 1100C. Главное заключается в том, последующим образованием нк-Si. В противном случае Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 688 Г.А. Качурин, С.Г. Яновская, В.А. Володин, В.Г. Кеслер, А.Ф. Лейер, M.-O. Ruault раствор распадается гетерогенно и избыточный Si про- был обнаружен в работе [21], где аморфизированные сто диффундирует к случайным стокам. облучением нанокристаллы Si кристаллизовались вновь Постепенное повышение температуры отжига приво- при температурах от 1000C. Таким образом, высокие дит к необычному результату. С одной стороны, данные температуры образования нк-Si обусловлены не только XPS указывают на усиление сегреграции избыточного Si необходимостью диффузионно-контролируемого роста из окисла (рис. 1). С другой стороны, после отжига при размеров. У мелких частиц термодинамика определяется 800C рамановское „кластерное“ рассеяние ослабевает балансом между выигрышем от выделения объемной (рис. 3). Следовательно, вытесняемый Si переходит в энергии и затратами на преодоление поверхностного некое новое состояние. Кластеры, в которых ближайши- натяжения. Мы полагаем, что высокие температуры ми соседями вытесняемых атомов являются и Si, и O, кристаллизации нк-Si связаны с противодействием попредставляют собой выделения Si в SiO2 цепочечного верхности. Тот факт, что даже после отжига кри темлибо фрактального типа, по существу не имеющие пературе 1100C пик 490 см-1 сохранялся, можно, с границ. Из рис. 1 видно, что рост температуры отжига одной стороны, считать дополнительным аргументом ведет к доминированию 4-координированных атомов в в пользу его поверхностной природы, а с другой — связях Si–Si4. По-видимому, рыхлые кластеры постепенуказывает на то, что по своим физическим свойствам но превращаются в более компактные выделения Si, поверхностный слой не тождествен объему. Из смеприобретая фазовые границы. Пик вблизи 490 см-1 естещения максимума PL (рис. 5) следует, что с ростом ственно связать с рассеянием поверхностью кремниевых концентрации Si средние размеры кристаллитов росли наноразмерных выделений. Природа пика до сих пор не от 3 до 5 - 6 нм. Согласно же расчетам частотнообсуждалась, хотя признаки его существования можно го сдвига рамановского рассеяния [22–24], пикам обнаружить в некоторых работах [3,11,12]. Впользу сдеи 500 см-1 (рис. 4) соответствуют кристаллиты размеланного нами предположения говорит следующее. Порами около 2 нм. Разница в оценках по двум методикам, ложение пика близко к линии рассеяния на связях Si–Si вероятно, и связана с наличием кристаллитов несколько аморфного кремния. Согласно [13–15], на поверхности различающихся по свойствам ядра и поверхностного межатомные связи слегка растянуты по сравнению с слоя. Заметим в заключение, что исследование форобъемом. В наночастицах доля атомов, относящихся к мирования светоизлучающего нк-Si методом рамановповерхностному слою, велика [16], а само поверхностное ского рассеяния сталкивалось ранее с определенными рассеяние весьма интенсивно [17,18]. То, что после дозы трудностями [1–3,8,14,25,26]. После отжигов PL появ1017 см-2 отжиг при 800C способствовал росту пика лялась лишь при небольших избытках Si, однако при 490 см-1, есть следствие трансформации кластеров в наэтом рамановское рассеяние не соответствовало нкноразмерные выделения с четкой фазовой границей. При Si. И наоборот, с ростом концентрации Si и размеров меньшей дозе облучения размеры и число кластеров выделений ожидаемый рамановский сигнал появлялся, сокращаются. При большей — затрудняется трансфорно исчезала люминесценция. Возникавшие проблемы, мация кластеров в фазовые наноразмерные выделения вероятно, объясняются наличием в кристаллитах двух из-за быстрого роста размеров кластеров и их частичзон рассеяния — ядра и поверхности.

ного сцепления. Столь резкая дозовая зависимость и поведение кластеров при отжиге хорошо согласуются с результатами компьютерного моделирования [19], бази- 5. Заключение ровавшегося на перколяционном образовании кластеров Данные XPS и рамановского рассеяния указывают и возможностях диффузии Si в SiO2 [20]. Отметим, что на то, что при достижении концентрации Si в SiO„поверхностный“ пик виден еще до отжигов (рис. 2).

в несколько атомных процентов кремниевые кластеры Вероятно, некоторые выделения обладали рассеивающей образуются и растут с увеличением имплантируемой поверхностью изначально, либо являлись двумерными.

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.