WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 8 Действие облучения и последующего отжига на нанокристаллы Si, сформированные в слоях SiO2 ¶ © Г.А. Качурин, С.Г. Яновская, M.-O. Ruault, А.К. Гутаковский, К.С. Журавлев, O. Kaitasov, H. Bernas Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия CSNSM-CNRS / IN2P3, 91405 Orsay, France (Получена 1 февраля 2000 г. Принята к печати 14 февраля 2000 г.) Люминесцирующие нанокристалллы Si, сформированные в слоях SiO2, облучали электронами и ионами He+ с энергиями 400 и 25 130 кэВ соответственно. Действие облучения и последующих отжигов 600 1000 C исследованы методами фотолюминесценции и электронной микроскопии. После малых доз ( 1 смещение / нанокристалл) обнаружены гашение фотолюминесценции нанокристаллов, но одновременно рост их числа. После больших доз ( 103 смещений / нанокристалл) наблюдалась аморфизация, что не характерно для объемного Si. Обнаруженные явления объяснены генерацией точечных дефектов и их захватом границами Si–SiO2. Фотолюминесценция нанокристаллов восстанавливается при температурах менее 800C, однако для кристаллизации преципитатов требуется около 1000C. Наблюдавшееся после отжига усиление фотолюминесценции объясняется суммированием интенсивностей фотолюминесценции от исходных нанокристаллов и от возникших вследствие облучения.

Введение Si, что объяснено ростом числа поверхностных связей O–Si–H. Наконец, в [15] был сделан вывод, что люмиПостоянное сокращение размеров полупроводниковых несцирующий пористый Si радиационно более стоек, чем приборов и обнаружение интенсивной видимой люми- объемный материал.

несценции кремниевыми квантово-размерными структу- Таким образом, данные о взаимодействии излучения рами сделали весьма актуальным изучение нанокристал- с нанокристаллами немногочисленны и противоречивы, лов Si. Их свойства, включая и радиационные эффекты, причем противоречия во многом связаны с незащищенмогут заметно отличаться от свойств объемного мате- ностью поверхностей в пористом Si. Невыясненным риала из-за размерных факторов и резко возрастающего остается пока вопрос и об отжиге радиационных повлияния поверхности.

вреждений. Недавно предложены методы формирования К настоящему времени действие излучения на крем- наноструктур, где поверхность нанокристаллов надежно ниевые нанокристаллы изучено слабо, причем объектом защищена. В частности, это ионный синтез нанокриисследований служил пористый Si. В публикациях [1–7] сталлов Si в SiO2 [16–19]. Поэтому в данной работе сообщалось, что ионная бомбардировка отрицательно ставилась задача изучить влияние облучения и последувлияет на видимую люминесценцию пористого Si. Авто- ющего отжига на свойства кремниевых нанокристаллов, ры работ [1–5] связывали гашение фотолюминесценции сформированных внутри SiO2. Для облучения были (ФЛ) с аморфизацией, в статье [6] эффекты объяснили выбраны быстрые электроны и ионы He+, производящие десорбцией водорода, а в [7] — образованием центров бе- в Si лишь подвижные точечные дефекты.

зызлучательной рекобинации. Снижение интенсивности ФЛ отмечалось и при облучении электронами, позитроМетодика нами, -частицами, рентгеновским и -излучением [8– 12]. В отличие от ионов средних масс эти виды излуДля формирования нанокристаллов в субмикронные чений обычный Si не аморфизируют. Гашение ФЛ связыслои SiO2, термически выращенные на кремнии, вневалось в [8–10] с уменьшением числа нанокристаллов.

дряли ионы Si+. Дозы ионов 5 · 1016-1 · 1017 см-Однако авторы [11] наблюдали спад люминесценции под при энергиях в интервале 25 130 кэВ обеспечивали действием электронов с энергией 20 кэВ, что много ниже избыточную концентрацию Si в SiO2 около 1520 ат% на порога атомных смещений. Спад объяснили испарением глубинах до 200 нм. Затем проводился отжиг при 1150C, водорода под электронным пучком.

в течение 30 мин в атмосфере азота. ВысокоразрешаюИмеются также сообщения, что радиация может стищая электронная микроскопия показала, что в результате мулировать ФЛ. По данным [13], -излучение усливало отжига в SiO2 формируются кремниевые нанокристаллы.

ФЛ и делало более стабильной. Однако это относилось Их параметры, форма и размеры соответствовали опутолько к облучению на воздухе и не наблюдалось при бликованному ранее [20,21]. Сформировавшиеся в SiOоблучении в вакууме. Усиление ФЛ отмечено в [14] нанокристаллы подвергались облучению при комнатной после облучения -квантами, электронами и ионами температуре электронами с энергией 400 кэВ (в колонне ¶ электронного микроскопа) и ионами He+ с энергиями Fax: (3832) E-mail: kachurin@isp.nsc.ru 25 130 кэВ. Энергия ионов He+ бралась такой, чтобы Действие облучения и последующего отжига на нанокристаллы Si, сформированные в слоях SiO2 они проходили интересующую область насквозь, выделяя до 3 · 1013 см-2, причем смещения ее максимума не пров ней лишь тормозные потери. Плотности ионного тока исходит. Кроме того, в коротковолновой части спектра с не превышали 1 мкА / см2, а электронный луч был сфор- дозой растет слабое свечение (рис. 1). Для контроля мирован в пучок диаметром 2мкм при токе 2.5мкА. ионной бомбардировке был подвергут слой SiO2, не В обоих случаях разогрев мишеней под пучком был несу- содержавший нанокристаллов, причем дозу довели до щественным. Отжиги после бомбардировок проводились 1015 см-2. Коротковолновое свечение наблюдалось и в в N2 либо в вакууме. Часть экспериментов по облучению этом случае, но оно было заметно слабее.

ионами He+ и последующему отжигу проводились in situ Влияние отжига на ФЛ облученных образцов представ колонне электронного микроскопа. Для исследований влено на рис. 2. Для сравнения после каждой стадии использовались методы ФЛ при 20C и электронной отжига спектры снимались совместно с контрольным микроскопии, в том числе высокоразрешающей. ФЛ необлученным образцом (см. рис. 1, кривая 1). Интенвозбуждалась азотным лазером с = 337 нм и реги- сивность красной-ИК полосы в его спектре принималась стрировалась фотоумножителем ФЭУ-79. Приводимые за единицу, и относительно нее нормировались все криспектры нормированы к спектральной чувствительности вые на рис. 2. Уже после 600C вызванная бомбардиустановки. ровками коротковолновая ФЛ практически устранялась.

Поведение длинноволновой ФЛ, излучаемой кремниевыми нанокристаллами, зависело от дозы ионов He+.

Результаты После минимальной дозы и отжига 600Cинтенсивность этой полосы даже превосходила исходную. Более яркой На рис. 1 показаны спектры ФЛ исходных образцов и она была и после дозы 1013 см-2. Однако для дозы на разных стадиях бомбардировки ионами He+. До об3-1013 см-2 отжиг 600C оказался недостаточным. Получения видна интенсивная красная–инфракрасная (ИК) сле отжига 800C во всех случаях интенсивности длинполоса, обычно объясняемая квантовыми ограничениями новолновой ФЛ несколько превосходили исходную. При в нанокристаллах Si [16–19]. Интенсивность этой полосы последовательно снижается с ростом дозы от 3·1012 см-2 этом увеличение температуры отжига от 600 до 800C заметного выигрыша по максимальной интенсивности ФЛ не давало. Однако отжиг при 1000C приводил к резкому усилению интенсивности ФЛ, и она в несколько раз превышала исходную.

Высокоразрешающая электронная микроскопия показала, что увеличение дозы ионов He+ от 1013 см-2 до 1015 см-2 нанокристаллы не устраняет. Были проведены также электронно-микроскопические исследования in situ, когда доза ионов He+ последовательно увеличивалась до 1016 см-2. В этом случае нанокристаллы оказались аморфизированными (рис. 3). Отметим, что на поверхности некоторых образцов случайно оказались кристаллиты Si размерами около 10 нм. Они кристалличность сохранили, что свойственно объемному Si при комнатном облучении столь легкими ионами. In situ были проведены также постимплантационные отжиги по 30 мин до 775C. Их оказалось недостаточно для восстановления нанокристаллов (рис. 3). При электронном облучении сохранение нанокристаллов контролировалось после 2, 20, 40, 60 и 90 мин облучения. Практически полностью они исчезают только после 90 мин (рис. 3).

Было замечено, что более крупные кристаллиты требуют для аморфизации более длительного облучения.

К неожиданному результату привел подсчет числа нанокристаллов на единицу площади до и после бомбардировки ионами He+ и электронами. В обоих случаях после облучения малыми дозами количество нанокристаллов не уменьшалось, а росло (рис. 4). При электронном облучении для надежности подсчеты проводились на нескольких участках исследуемого образца (см. рис. 4).

Рис. 1. Спектры ФЛ слоев SiO2 с нанокристаллами Si до (1) Из гисторамм рис. 4 видно также, что после достижения и после облучения ионами He+ дозами, см-2: 2 —3 · 1012, определенной дозы облучения исчезновение нанокри3 —1 · 1013, 4 —3 · 1013. Спектр 5 — после облучения слоя сталлов происходит достаточно резко.

чистого SiO2 ионами He+ дозой 1 · 1015 см-2.

Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 1006 Г.А. Качурин, С.Г. Яновская, M.-O. Ruault, А.К. Гутаковский, К.С. Журавлев, O. Kaitasov, H. Bernas Рис. 2. Спектры ФЛ образцов, облученных ионами He+ дозами, см-2: 1 —3 · 1012, 2 —1 · 1013, 3 —3 · 1013 и отожженных в течение 30 мин, C: a — 600, b — 800, c — 1000. Штрихпунктир — интенсивность ФЛ исходных образцов.

Обсуждение результатов сталлизации наблюдался в обоих случаях при упругих потерях, соответствующих единичным смещениям в преГашение красной-ИК ФЛ и аморфизация явно свяципитатах. Возможно, здесь мы имеем дело с явлением, заны с дефектообразованием, но требуют совершенно известным как ударная кристаллизация [22,23].

разных затрат упругой энергии частиц. Гашение ФЛ Аморфизация ионами He+ происходит после больших наблюдается при дозах -частиц порядка 1013 см-2, что доз, когда на атом мишени приходится около 0.2 смепри пороге смещения Eth 15 эВ соответствовало = щений ( 100 смещений / нанокристалл). Как известно, примерно 6 · 10-5 смещений / атом в исследуемом слое.

кремний аморфизируется при 20C только более тяжеПоскольку нанокристаллы размерами 5 нм содержат лыми ионами, причем затраты на дефектообразование 5000 атомов, падение интенсивности ФЛ происходит должны достигать 1 смещение / атом. Поскольку гранипри введении в кристаллит всего 1 смещения. Это цы нанокристаллов эффективно захватывают подвижные означает, что для создаваемых облучением подвижных дефекты и, как следует из наших наблюдений, доза дефектов существует фиксирующий сток с высокой эф- аморфизации растет с размерами кристаллитов, потеря фективностью захвата. Таким стоком является, очевидно, устойчивости решетки вызвана накоплением дефектов поверхность нанокристаллов. Ключевая роль поверхно- границами до определенного критического уровня. О возсти в захвате точечных дефектов видна и из эксперимен- можности аморфизации Si за счет накопления точечных тов по ФЛ в Si, облученном до и после формирования дефектов при наличии связывающих границ свидетельнанокристаллической структуры [9].

ствуют результаты работ [24,25].

В этом же дозовом интервале проявился и другой Расчеты показывают, что у электронов затраты упруэффект — появление под облучением при 20C новых гих потерь на аморфизацию были гораздо выше, чем нанокристаллов Si. Отсюда, во-первых, следует, что у инов He+, и составляли около 20 смещений / атом.

после первоначального отжига 1150C в SiO2 помимо Причинами могли быть разница в темпах генерации кремниевых нанокристаллов были также нановыделения смещений электронами и -частицами и разница в пеSi, оставшиеся аморфными. Во-вторых, такие нановыде- редаваемой энергии атомам мишени. Темп генерации ления могут скачкообразно кристаллизоваться без нагре- смещений электронами с плотностью тока 60 А / смва благодаря единичным атомным смещениям. По край- был на 2 порядка выше, чем у -частиц при плотностях ней мере кристаллизацию инициируют именно упругие 1мкА/ см2, и в этом отношении электронам было потери, а не ионизация. Для электронов с j 60 А / см2 бы легче аморфизировать Si. Гомогенным образова= уровень ионизации был на 4 порядка выше, чем для нием стабильных нарушений в пределах одного пика ионов He+ c j 1мкА/ см2, тем не менее эффект кри- смещения для легких ионов He+ можно пренебречь. Их = Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. Действие облучения и последующего отжига на нанокристаллы Si, сформированные в слоях SiO2 Рис. 3. Темнопольная электронная микроскопия слоев SiO2 с нанокристаллами Si (светлые точки). Слева — a ) исходный образец, b) после облучения ионами He+ дозой 1 · 1016 см-2, c) он же после дополнительного отжига 775C 30 мин. Справа — после облучения электронами в течение, мин: a —2, b — 40, c — 90.

упругие потери составляют 10 эВ / нм, и в пределах 100 эВ, и выбитые атомы могут удаляться от узла на кристалла размерами 5 нм возможно образование несколько постоянных решетки. Электроны с энергией не более трех френкелевских пар. Поэтому разница 400 кэВ передают атомам Si лишь около 20 эВ, создавая в энергозатратах частиц на аморфизацию обусловлена близкие френкелевские пары. Для них прямая рекомбипрежде всего различием в энергии, передаваемой атомам нация гораздо более вероятна, чем сток компонентов на мишени. Для ионов He+ ее среднее значение составляет поверхность.

Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 1008 Г.А. Качурин, С.Г. Яновская, M.-O. Ruault, А.К. Гутаковский, К.С. Журавлев, O. Kaitasov, H. Bernas Если для отжига дефектов в нанокристаллитах достаточны температуры ниже 800C, то для кристаллизации аморфизированных нанопреципитатов нужны температуры между 800 и 1000C. Этот интервал соответствует температурам, когда формируются нанокристаллы в слоях SiO2, имплантированных ионами Si [16–21].

Полученные нами данные говорят о том, что высокие температуры нужны не просто для диффузионнолимитируемого роста преципитатов, но и для самой кристаллизации. Такие температуры существенно выше температур начала кристаллизации обычного аморфного Si ( 500 600C). Механизм кристаллизации нановыделений еще нуждается в исследованиях. Возможно, он как-то связан с температурой плавления, которая у наночастиц понижается из-за роста вклада поверхностной энергии.

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.