WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 7 Особенности структуры пленок аморфного гидрированного кремния, осажденных методом разложения силана на постоянном токе в магнитном поле © О.А. Голикова, А.Н. Кузнецов, В.Х. Кудоярова, М.М. Казанин Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 25 октября 1996 г. Принята к печати 31 октября 1996 г.) Приводятся данные о содержании водорода и различных формах его связи с кремнием в пленках a-Si : H, осажденных методом разложения силана на постоянном токе в магнитном поле (MASD), в зависимости от условий осаждения: температуры, давления смеси 25% SiH4 + 75% Ar, скорости прокачки, введения в разрядную камеру сетки. Установлены корреляции между величиной фотопроводимости и особенностями структуры пленок.

1. Введение SiH2, а дублет (840, 890 cм-1) —форме (SiH2)n, т. е.

цепочечной структуре дигидридов. Фотопроводимость В предыдущей работе [1] было впервые показапленок (ph) измеряли при комнатной температуре, но, что методом разложения силана на постоянh = 2 эВ и скорости генерации G = 1019 см-3 · с-1, ном токе в магнитном поле (MASD) удается полупричем ph определяли их функцию положения уровчить аморфный гидрированный кремний (a-Si : H) приня Ферми (EF) в щели подвижности. Величину зазора борного качества при высоких температурах осажеEc-EF (Ec — край зоны проводимости), как обычно, дния пленок (Ts = 300-400C). Конструкция устанаходили из соотношения Ec - EF = kT ln 0/d, где новки для получения пленок была подробно опиT = 300 K, d — темновая проводимость при этой сана в [1]. В настоящей работе приводятся ретемпературе, 0 = 150 Ом-1 · см-1. Для ряда пленок зультаты детального исследования структуры пленок проводились исследования коэффициента поглощения a-Si : H, осажденных указанным методом, в зависивблизи края фундаментального поглощения методом мости от Ts при направленных изменениях друпостоянного фототока (CPM). Определялись плотность гих условий осаждения: давлении газовой смеси дефектов и параметр Урбаха.

25% SiH4 + 75% Ar, скорости ее прокачки, при ввеНа рис. 1 показано распределение концентрации вододении в разрядную камеру сетки. Приводятся также рода по толщине, типичное для исследованных пленок:

данные о фотопроводимости пленок в зависимости от их видно, что распределение водорода достаточно равноструктуры.

мерное. Отметим, что величины CH, определенные методами ERD и ИК спектроскопии, совпадают с точностью 2. Эксперимент: методы, результаты 2–3 ат%.

и обсуждение Методом протонов отдачи (ERD) определяли концентрационное распределение водорода по толщине пленки.

Этот метод дает информацию об общем содержании как связанного с Si, так и не связанного в ним водорода. Для определения содержания связанного водорода анализировали полосу инфракрасного (ИК) поглощения при 630 см-1.

Микроструктурный параметр находили следующим образом:

IR =, I2000 + Iгде I2000 и I2090 — интенсивности полос поглощения при 2000 и 2090 см-1. Как известно, этим частотам отвечают моногидридные (Si–H) и дигидридные (Si–H2) комплексы соответственно. Для идентификации формы дигидридных комплексов SiH2 или (SiH2)n анализировались ИК спектры в окрестностях 875 см-1, поскольку полоса поглощения при этой частоте отвечает форме Рис. 1. Распределение водорода по толщине пленки d.

Особенности структуры пленок аморфного гидрированного кремния... пленках, осажденных методом MASD. Это, несоменно, следует рассматривать как преимущество данного метода как с экологической, так и с экономической точек зрения. Действительно, минимизация CH, существенная с точки зрения повышения стабильности a-Si : H под влиянием внешних воздействий, достигается при сравнительно малом расходе дорогостоящего, токсичного и взрывчатого силана.

На рис. 3 показано, как условия осаждения пленок влияют на микроструктурный параметр R. При максимальном давлении газовой смеси R = 0.7 во всем интервале изменения температуры осаждения, т. е. доля комплексов SiH2 велика (кривая 1). В ИК спектрах наблюдаются дублеты (840, 890 см-1), т. е. для структуры характерны цепочки (SiH2)n.

При минимальном давлении газовой смеси величина R увелчивается с увеличением Ts, достигая единицы Рис. 2. Зависимость содержания водорода от температуры (кривая 2). Для этих пленок нельзя говорить о наличии осаждения пленки: 1 — P =(7-8)·10-3 Тор, r = 1 s.c.c.m.; 2 — цепочечной структуры (SiH2)n: в ИК спектрах наблюдаP =(2.5-3.5) · 10-3 Тор, r = 1 s.c.c.m.; 3 — P = 3 · 10-3 Тор, ется полоса поглощения при 2100 см-1 при отсутствии r = 3 s.c.c.m.; 4 — при введении сетки в камеру P = 7·10-3 Тор, полос поглощения в области 800–900 см-1. Это может r = 1 s.c.c.m.

быть вызвано рядом причин: присутствием примесей (кислорода, азота и углерода), которые, обладая большей электроотрицаетльностью, чем кремний, могут вызвать На рис. 2 приведены данные о содержании водорода в сдвиг полосы поглощения 2000 см-1 в область больших пленках в зависимости от температуры их осажения. Во волновых чисел, либо наличием связей водорода с кремвсех экспериментах величина анодного напряжения была нием, которые покрывают поверхность пор или зерен.

500 В, величина приложенного магнитного поля соста- Увеличение скорости прокачки газовой смеси и введение вляла 500 Гс. Давление газовой смеси изменяли в пре- в разрядную камеру сетки обеспечивают дальнейшее делах P =(2.5-7.5) · 10-3 Тор, а скорость ее прокачки варьирование микроструктурного параметра (кривые r = 1-3 стандартных кубических сантиметра в минуту и 4). При этом дигидридные комплексы, если они (s.c.c.m.). Ряд экспериментов проводился при условии существуют в пленке, находятся в форме SiH2.

введения в разрядную камеру сетки, находящейся под Таким образом, при Ts = const величина R может потенциалом держателя подложки. Сетка располагалась направленно изменяться в широких пределах. При вына расстоянии 15 мм от держателя, расстояние мишень– соких температурах осаждения пленок a-Si : H другими сетка составляло 35 мм [1]. Данные, представленные на рис. 2, показывают, что при Ts = const величины CH могут варьироваться в значительных пределах.

Минимальное содержание водорода в пленках a-Si : H, осажденных методом MASD при Ts = 300-400C, находится на том же уровне, что и в пленках, осажденных методом тлеющего разряда в стандартных реакторах ( f = 13.56 МГц) при использовании не разбавленного силана [2–4], а также методом каталитического разложения силана на горячей вольфрамовой нити [5]. В то же время пленки a-Si : H, осажденные методом тлеющего разряда в высокочастотном реакторе ( f = 70 МГц), при тех же Ts содержат примерно вдвое больше водорода [6]. Такая же картина наблюдается, когда при осаждении пленок методом тлеющего разряда используются разбавленные силан-аргоновые или силангелиевые смеси [3,4]. Повышенное содержание водорода Рис. 3. Микроструктурный параметр в зависимости от темотмечается и в пленках a-Si : H, осажденных методом пературы осаждения пленки: 1–4 — то же, что и на рис. 2;

удаленной силан-водородной плазмы [7]. В отличие 5, 6 — данные работы [3]; использование не разбавленного от вышесказанного использование сильно разбавленной SiH4 и смеси 40% SiH4 + 60% He соответственно; 7 — данные силан-аргоновой смеси не приводит к увеличению CH в работы [6].

4 Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 818 О.А. Голикова, А.Н. Кузнецов, В.Х. Кудоярова, М.М. Казанин разряда, но при различных условиях (конструкции реактора, температуре, составе газовой смеси и др.). Согласно [10], кривая на рис. 5 показывает границу области, отвечающей a-Si : H приборного качества. Рассмотрим, как ей соответствуют данные для пленок, осажденных методом MASD при Ts = 300-400C. Пленки a-Si : H, имеющего Ec-EF = 0.7-0.78 эВ, независимо от их структуры (SiH или (SiH2)n ”попадают” в эту область, за исключением тех пленок, у которых R = 1 (рис. 5):

сильное снижение µ для них, по-видимому, является следствием повышенного содержания примесей (азота, кислорода). Подчеркнем, что такой a-Si : H по величине Ec-EF близок к ”собственному” [11]. Несколько выпадаРис. 4. Зависимость микроструктурного параметра от содерют из рассматриваемой области некоторые пленки ”псевжания водорода в пленке. Точками обозначены наши данные долегированного” a-Si : H, имеющего Ec-EF < 0.7 эВ.

для пленок, содержащих комплексы SiH и SiH + SiH2 (1), На рис. 6 представлены спектральные зависимости цепочки (SiH2)n (2); стрелками —их вариации при CH =const.

коэффициента поглощения, измеренного методом поКривые из работ: I — [3], II —[6], III — [5], IV—[8], V—[9].

стоянного фототока (CPM), для пленок собственного и псевдолегированного a-Si : H, осажденных методом MASD. По этим данным определялись: величина плотметодами такая картина не наблюдается. В качестве ности дефектов ND, методом, предложенным в [12], а примеров на рис. 3 приводятся данные из работ [3] и [6]:

также величина параметра Урбаха, u. Для собственного при Ts = 300-400C величины R приближаются к нулю.

и псевдолегированного a-Si : H ND = 8 · 1015 см-3 и На рис. 4 представлена зависимость микроструктурно- 5 · 1016 см-3, а u =50 и 60 мэВ. Следует отметить, что го параметра R от содержания водорода в пленках a-Si : H ND и u для собственного a-Si : H соответствуют аналопо данным настоящей работы и ряда других работ. Видно, гичным величинам, известным для пленок, осажденных что, по данным [3,6–9], возрастание R происходит одно- методом тлеющего разряда. Что касается псевдолегировременно с возрастанием содержания водорода. Наибованного a-Si : H, то при Ec-EF = const эта параметры лее высокие величины R (до 0.8) наблюдаются для пледля пленок, осажденных методом MASD, оказываются нок a-Si : H, осажденных методом тлеющего разряда при завышенными, чем и объясняется некоторое снижение Ts = 260C и испльзовании силан-гелиевых смесей [3] величины µ (рис. 5). Существенно, что рассматриваеи методом магнетронного распыления при Ts = 260Cи мые пленки имеют высокие R = 0.7-0.8 и дигидридные вариациях парциального давления водорода в его смеси с аргоном [9]. Следует отметить, что скорости осаждения пленок в [3,9] достигали 1.5 нм/с. В противоположность вышесказанному, методом MASD можно получить пленки a-Si : H с низким содержанием водорода, имеющие высокие R и содержащие дигидридные комплексы как в форме SiH2, так и в форме (SiH2)n (рис. 4). Кроме того, эти пленки осаждаются со скоростями не выше 0.2 нм/с.

Таким образом, можно говорить о своеобразии процесса осаждения и структуры рассматриваемых пленок a-Si : H.

Представлялось интересным исследовать, как особенности структуры пленок, полученных методом MASD, влияют на их электронные свойства и в первую очередь на фотопроводимость. На рис. 5 представлены данные о величине произведения µ, определенной из ph, как функции Ec-EF ( — квантовый выход, µ —подвижность, — время жизни электронов). Различными символами показаны данные для пленок, содержащих цепочки (SiH2)n, комплексы SiH + SiH2, а также только комплесы SiH. На рис. 5 также представлены результаты Рис. 5. Зависимость произведения µ от положения уровня исследований a-Si : H, полученного в ряде Европейских Ферми в щели подвижности. Данные настоящей работы для центров: Филиппс Университете (ФРГ). Политехничепленок, содержащих: 1 — SiH (R = 0); 2 — SiH + SiHской школе (Франция), BARI (Италия), PATRAS (Гре(R = 0.3-0.8); 3 — (SiH2)n (R = 0.6-0.8); 4 — для пленок, ция) [10]. Пленки были осаждены методом тлеющего имеющих R = 1; 5 — данные Европейских научных центров.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Особенности структуры пленок аморфного гидрированного кремния... была установлена корреляция между величиной µ и различными формами связи водорода в пленке. Показано, что пленки собственного a-Si : H могут содержать как только комплексы SiH, так и только комплексы (SiH2)n.

Работа была поддержана грантом INTAS N 931916.

Авторы благодарят координатора программы В. Фуса за предоставление данных о параметрах пленок a-Si : H, полученных в ряде Европейских центров, а также сотрудников группы А.И. Косарева (IP2) за плодотворное сотрудничество.

Список литературы [1] О.А. Голикова, А.Н, Кузнецов, В.Х. Кудоярова, М.М. Казанин. ФТП, 30, 1879 (1996).

[2] G. Ganguly, A. Matsuda. Phys. Rev. B, 47, 3661 (1993).

[3] P. Morin, Roca i Cabarrocas. MRS Proc., 336, 281 (1994).

[4] О.А. Голикова, М.М. Казанин, О.И. Коньков, В.Х. Кудоярова, Е.И. Теруков. ФТП, 30, 405 (1996).

[5] A.H. Mahan, J. Carapella, B.P. Nelson, R.S. Crandall. J. Appl.

Phys., 69, 6728 (1991).

[6] U. Kroll, J. Meier, M. Goetz, A. Howling, J.-L. Dorier, J. Dutla, Рис. 6. Спектральные зависимости коэффициента поглощения A. Shah, Ch. Hllenstein. J. Non-Cryst. Sol., 164–166, для пленок, осажденных методом MASD: 1 — собственный a(1993).

Si : H, 2 — псевдолегированный a-Si :,H.

[7] N.M. Johnson, P.V. Santos, C.E. Nebel, W.B. Jackson, R.A. Street, K.S. Stevens, J. Walker. J. Non-Cryst. Sol., 137/138, 235 (1991).

[8] D. Caputo, G. de Cesare, F. Irrera, F. Palma, M.C. Rossi, комплексы в них находится в форме SiH2. Отметим такG. Conte, G. Nolile, G. Fameli. J. Non-Cryst. Sol., 170, же, что в [8] установлены корреляции между величинами (1994).

микроструктурного параметра R и параметра Урбаха [9] N. Beldi. J. Non-Cryst. Sol., 164–166, 309 (1993).

u для пленок a-Si : H, осажденных методом тлеющего [10] W. Fuhs (private communication).

разряда, и что данные для пленок, осажденных методом [11] О.А. Голикова, В.Х. Кудоярова. ФТП, 29, 1128 (1995).

MASD, соответствуют результатам [8].

[12] K. Pierz, W. Fuhs, H. Mell. Phil. Mag., B, 63, 123 (1991).

Редактор В.В. Чалдышев 3. Заключение Characteristics of structure of amorphous Метод разложения силана на постоянном токе в магhydrogenated silicon films deposited нитном поле (MASD) обладает рядом привлекательных by magnetron assisted silane черт с точки зрения как техники, так и физики аморфного decomposition гидрированного кремния, так как он позволяет:

— получить пленки a-Si : H при Ts = 300-400C с O.A. Golikova, A.N. Kuznetsov, V.Kh. Kudoyarova, низким содержанием водорода, используя сильно разбаM.M. Kazanin вленную силан-аргоновую смесь;

A.F. Ioffe Physicotechnical Institute, — варьировать содержание водорода в пленках при Russian Academy of Sciences, Ts = const, направлено изменяя другие условия осажде194021 St.Petersburg, Russia ния;

— варьировать величину микроструктурного параме

Abstract

Hydrogen content and hydrogen-silicon forms have тра R в широких пределах при низких содеражниях been investigated in the a-Si : H films deposited by the magnetron водорода, что не удается при использовании других assisted silane decomposition (MASD) as functions of temperature, метдов;

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.