WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 7 Особенности комбинационного рассеяния света в кремнии, легированном большими дозами криптона © М.Ф. Галяутдинов, Н.В. Курбатова, С.А. Моисеев, Е.И. Штырков Казанский физико-технический институт при Казанском научном центре Российской академии наук, 420029 Казань, Россия (Получена 30 августа 1996 г. Принята к печати 25 октября 1996 г. ) Экспериментально обнаружен высокочастотный сдвиг 20 см-1 в спектре комбинационного рассеяния света кремния, имплантированного ионами криптона. На основе данных комбинационного рассеяния света, полученных при различных режимах имплантации Kr+ и лазерного отжига, исследована динамика трансформации микроскопической структуры приповерхностного слоя кремния. Полученные экспериментальные данные хорошо объясняются наличием локальных механических напряжений ( 40 кбар), связанных с присутствием тяжелых инертных атомов Kr в узлах решетки.

Внедрение тяжелых элементов в кремний приводит к 2. Экспериментальные результаты возникновению ряда интересных эффектов: проявлению и их обсуждение химической активности инертных тяжелых газов [1], появлению низкотемпературной стадии рекристаллизации, Полученные спектры КРС позволили проследить сопровождающейся газовыделением [2] и вытеснением трансформацию структуры приповерхностного слоя толпримеси водорода [3], а также к образованию порищиной 100 нм и локализацию атомов Kr в матрице стой структуры [4], что в свою очередь приводит к Si по мере повышения дозы имплантации, а также при усилению комбинационного рассеяния света (КРС) и увеличении энергии лазерного облучения. В исходных люминесценции [5]. В настоящее время значительный имплантированных образцах спектр КРС соответствуинтерес вызывает физическая природа этих эффектов, ет в основном аморфному состоянию приповерхностчто вызвано новыми практическими приложениями.

ного слоя Si. Однако уже для дозы имплантации В данной работе методом КРС исследована трансфор- D = 6 1015 см-2 обнаруживается слабая полоса-дублет мация микроскопической структуры кристаллической ре- с частотами 512 и 517 см-1 (рис. 1, a), свидетельствушетки кремния и ее динамические свойства при различ- ющая о появлении микрокристаллической фазы [6]. С ных режимах имплантации и лазерного отжига (ЛО).

увеличением плотности энергии ЛО происходит сужение этой полосы в сторону кристаллического пика 518 см-(рис. 1, b–d). Появление дублетной полосы в спектре 1. Методика эксперимента КРС объясняется начальной низкотемпературной стадией рекристаллизации разупорядоченного слоя. Нагрев Монокристаллическая пластина кремния марки образца до 400C при этой дозе имплантации моКДБ-1 (111) предварительно бомбардировалась ионами жет быть вызван большим ионным током (>3мкА/см2).

криптона Kr+ с энергией E =40 кэВ и плотность тока Установлено [2], что эффект низкотемпературного отионного пучка в пределах 2–5 мкА/см2 при комнатной жига является характерным для таких доз имплантации температуре. Для изучаемых эффектов использовались кремния криптоном.

большие дозы ионной имплантации, которые Неожиданным оказалось появление в спектре новой варьировались в пределах D = 6 1014-2.4 1017 см-2.

узкой линии 538 см-1 наряду с кристаллическим пиком Затем исследуемые образцы отжигались рубиновым 518 см-1 (рис. 1, b–d). Существенно, что ее положение и лазером ( = 694.3нм) с длительностью импульса полуширина не зависят от режимов имплантации и ЛО, 50 нс; плотность энергии в пятне диаметром 5 мм тогда как интенсивность этого пика с увеличением плотизменялась в диапазоне W = 0.2-1.5Дж/см2.

ности энергии ЛО значительно возрастает по сравнению Спектры КРС снимались для различных условий обра- с интенсивностью кристаллического пика 518 см-1. Для ботки кремния при комнатной температуре в геометрии всех исследованных доз имплантации максимальная ин”на отражение” на спектрометре ДФС-52. Возбуждение тенсивность высокочастотного пика 538 см-1 наблюда КРС осуществлялось линией = 510.6нм лазера на ется при плотности энергии ЛО W 0.5Дж/см2. Эта = парах меди, работающего в квазинепрерывном режиме характерная зависимость представлена для дозы импланс частотой 11 кГц и длительностью импульса 20 нс. тации D = 6 1015 см-2 на рис. 2. При дальнейшем Плотность мощности лазерного импульса на образце увеличении плотности энергии ЛО до W 1Дж/см= не превышала 103 Вт/см2. Спектральная ширина щели интенсивность кристаллического пика 518 см-1 достигасоставляла 2 см-1. Регистрация сигналов КРС осуще- ет насыщения при резком понижении (почти на поряствлялась в режиме счета фотонов с синхронизацией док) интенсивности пика 538 см-1. При этих условиях лазерных импульсов. реализуется режим эпитаксиальной рекристаллизации Особенности комбинационного рассеяния света в кремнии, легированном большими дозами криптона разупорядоченного слоя, о чем свидетельствует и эллипсометрическое исследование комплексного показателя преломления для таких режимов имплантации и ЛО [4].

Для легкой примеси замещения существующие теории динамики неидеальных кристаллических решеток хорошо объясняют возникновение локальных колебаний выше фотонной частоты исходного совершенного кристалла. Тяжелая примесь, как правило, приводит к появлению квазилокализованных резонансных колебаний, частоты которых лежат в области разрешенных фотонных частот исходного кристалла [7]. По нашему мнению, высокочастотный пик 538 см-1 следует связать с появлением Рис. 2. Зависимость интенсивности линий 518 и 538 см-1 в спектре КРС кремния, легированного ионами Kr+ (E = 40 кэВ, D = 61015см-2), от плотности энергии лазерного облучения.

локальной моды, обусловленной атомами криптона в узлах кристаллической решетки кремния. Постоянство величины высокочастотного сдвига и отсутствие дополнительнного уширения этого пика по сравнению с полушириной пика 518 см-1 однозначно свидетельствуют о связи этого сигнала с дополнительным высокочастотным колебанием кристаллической решетки. Такое высокочастотное колебание может быть вызвано наличием сильного деформационного потенциала, обусловленного локализацией тяжелых инертных атомов криптона в узлах решетки кремния, и, соответственно, изменением упругих констант связи атомов Si. В соответствии с этим происходит локальное изменение частоты собственных колебаний атомов решетки.

В случае имплантации кремния тяжелой, но электроактивной, примесью индия дополнительного высокочастотного пика в спектре КРС в исследованном диапазоне не наблюдалось (рис. 3). По всей видимости, локализация атомов In в узлах решетки Si не вызывает сильной деформации электронной подсистемы атомов Si и, соответственно, существенных изменений силовых констант связи атомов подложки из-за сохранения ковалентной связи с внедренной примесью.

В ряде работ наблюдалось незначительное ( 3см-1) увеличение частоты собственных колебаний монокристаллического кремния. Это связывалось с наличием механических напряжений, возникающих благодаря различиям постоянных решеток эпитаксиальной пленки кремния и подложки [8] или вследствие локального лазерного отжига аморфного слоя [6] или из-за локального возмущения легирующей примесью замещения [9]. По нашему мнению, наблюдаемый высокочастотный сдвиг =20 см-1 может быть вызван влиянием значительных локальных механических напряжений в решетке кристалла. Для оценки этих напряжений ограничимся приближенной моделью Грюнайзена [10]. В этой Рис. 1. Трансформация спектра КРС в кремнии, легированном феноменологической модели относительное изменение ионами Kr+ (E = 40 кэВ, D = 6 1015 см-2) под действием соответствующей частоты колебания решетки i/i лазерного облучения ( = 694.3нм, 50 нс) с плотностью связано с объемным сжатием образца V/V через моэнергии W (Дж/см2): a —0, b — 0.34, c — 0.53, d — 0.96.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 792 М.Ф. Галяутдинов, Н.В. Курбатова, С.А. Моисеев, Е.И. Штырков мерно в 13 раз. Эти изменения мы связываем с процессом низкотемпературной стадии рекристаллизации, сопровождающимся резким газовыделением Kr [2]. Согласно [2], остаточное содержание Kr в матрице Si в результате полной рекристаллизации для дозы имплантации D = 2.2 1015 см-2 составляет 6%, что согласуется с нашими оценками, основанными на анализе уровня падения сигнала при 538 см-1.

В заключение отметим, что хотя природа и механизм низкотемпературной рекристаллизации с газовыделением остаются еще недостаточно изученными, однако на основании полученных в настоящей работе экспериментальных данных можно предположить, что процесс рекристаллизации стимулируется локальными напряжениями. Этот вывод подкрепляется экспериментально проверенными результатами о стимулирующем влиянии гидростатического давления на процесс кристаллизации аморфного кремния [13], где показано, что при давлении Рис. 3. Спектр КРС кремния, легированного ионами In+ (E = 30 кэВ, D = 9.6 1015 см-2) после лазерного отжига. в 32 кбар и температуре 520C скорость кристаллизации возрастает в 5 раз.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда довый параметр Грюнайзена i для моды с индексом i в фундаментальных исследований (грант 96-02-18245).

кристалле, находящемся под давлением P:

Список литературы i/i = -i(V /V ) =iP, (1) [1] V.D. Tkachev, A.V. Mudryi, N.S. Minaev. Phys. St. Sol. (a), 81, где — изотермическая объемная сжимаемость, 313 (1984).

Si = 1.01210-11 м2/Н [9]. Для изучаемой оптической [2] C. Jech, R. Kelly. J. Phys. Chem. Sol., 30, 465 (1969).

моды E2g параметр Грюнайзена i = 0.98 [10]. Оценка [3] А.Д. Лозовский, А.М. Панеш. Изв. АН, сер. физ., 58, №5, локального давления по формуле (1) при = 20 см-209 (1994).

и = 518 см-1 дает значение P 40 кбар. Таким = [4] М.Ф. Галяутдинов, Э.Ю. Карась, Н.В. Курбатова, образом, локализация тяжелых атомов криптона в узлах Е.И. Штырков. Опт. и спектр., 73, 344 (1992).

кристаллической решетки кремния может вызвать суще[5] А.В. Андрианов, Л.В. Беляков, Д.Н. Горячев, Д.И. Ковалев, ственные напряжения, ведущите к сжатию решетки.

О.М. Сресели, И.Д. Ярошецкий, Б.Я. Авербух. ФТП, 28, Известно, что возникающие напряжения в матрице 2202 (1994).

Si могут значительно повлиять и на кинетику рекри- [6] Л.П. Авакянц, Г.Д. Ивлев, Е.Д. Образцова. ФТТ, 34, (1992).

сталлизации в процессе ЛО [11]. В нашем случае об [7] А. Марадудин. Дефекты и колебательный спектр этом свидетельствует поведение интенсивности пиков кристаллов (М., Мир, 1968) [A.A. Maradudin. Theoretical 518 см-1 и 538 см-1 при изменении плотности энергии and experimental aspects of the effects of point defects and ЛО. Появление этих сигналов уже при небольшой плотdisorder on the vibrations of crystalls (Academic Press Inc., ности энергии (W = 0.4Дж/см2) однозначно связано N.Y.–London, 1966)].

с процессом рекристаллизации разупорядоченного слоя [8] В.С. Горелик, Р.Н. Хашимов, М.М. Сушинский. ПоверхSi (рис. 1). Интенсивность пика 538 см-1 соответствуность. Физика, химия, механика, 6, 77 (1985).

ет доле локализованных атомов Kr в кристаллической [9] M. Chandrasekhar, H.R. Chandrasekhar, M. Grimsdich, решетке. Процесс рекристаллизации сопровождается одM. Cardona. Phys. Rev. B, 22, 4825 (1980).

новременно резким вытеснением примеси Kr к поверх- [10] В. Вейнстейн, Р. Заллен. В кн.: Рассеяние света в твердых телах, под ред. М. Кардоны и Г. Гюнтеродта ности. При этом излишняя часть атомов криптона, не (М., Мир, 1986) вып. 4. [Light Scattering in Solids IV, ed.

занявшая положение замещения в узлах кристалличеby M. Cardona and G. Gunterodt (Springer Verlag, Berlin– ской решетки Si, скапливается в виде газовых пузырей.

Heidelberg–N.Y.–Tokyo, 1984)].

Об этом свидетельствуют данные эллипсометрического [11] Л.Н. Александров. Письма ЖТФ, 11, № 5, 286 (1985).

исследования и наблюдаемая с помощью сканирующего [12] М.Ф. Галяутдинов, Н.В. Курбатова, Э.Ю. Буйнова и др. Тез.

силового микроскопа пористость структуры [12]. При докл. конф. ”Структура и свойства кристаллических плотности энергии ЛО W > 0.5Дж/см2 наблюдается и аморфных материалов” (Н. Новгород, 1996) с. 86.

резкий спад сигналов при 538 см-1 и медленный рост [13] Guo-Quan, E. Nugren, M.J. Aziz. J. Appl. Phys., 70, интенсивности пика 518 см-1. Насыщение роста интен(1991).

сивности линии 518 см-1 наступает при W 1Дж/см2, = Редактор В.В. Чалдышев при этом величина сигнала при 538 см-1 спадает приФизика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Особенности комбинационного рассеяния света в кремнии, легированном большими дозами криптона Raman scattering in silicon implanted by a high dose of krypton V.F. Galyautdinov, N.V. Kurbatova, S.A. Moiseev, E.I. Shtyrkov Kazan Physical-Technical Institute, Russian Academy of Sciences, 420029 Kazan, Tatarstan, Russia e-mail: mansur@ksc.iasnet.ru Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, №




© 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.