WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 10 Кинетика фазово-структурных преобразований в тонких пленках SiOx в процессе быстрого термического отжига © В.А. Данько, И.З. Индутный¶, В.С. Лысенко, И.Ю. Майданчук, В.И. Минько, А.Н. Назаров, А.С. Ткаченко, П.Е. Шепелявый Институт физики полупроводников им. В.Е. Лашкарева Национальной академии наук Украины, 03028 Киев, Украина (Получена 18 января 2005 г. Принята к печати 28 февраля 2005 г.) Методами инфракрасной спектроскопии и фотолюминесценции изучались процессы изменения состава оксидной фазы пленки SiOx и выделения фазы Si в процессе быстрого термического отжига в интервалах времен 1–40 с и температур 500–1000C. При температурах 600–700C впервые наблюдалась кинетика фазовыделения: рост количества выпавшего кремния с увеличением времени отжига и выход на насыщение.

При температурах выше 900C процесс разделения фаз завершается уже за 1 c. В рамках модели диффузионно-контролируемого формирования наночастиц Si проведена оценка величины коэффициента диффузии. Полученные значения на 5–10 порядков превышают коэффициенты диффузии кремния в SiO2 и Si и сравнимы с коэффициентами диффузии кислорода в подобных структурах. Предполагается, что именно подвижность кислорода лежит в основе механизма структурно-фазовых превращений слоев SiOx и образования наночастиц Si в процессе отжига.

1. Введение несценции, при этом время отжига слабо влияет на форму полосы. Положение максимума ФЛ практически В последние годы существенно возрос интерес к изуне меняется в процессе отжига.

чению пленок субоксида кремния (SiOx ) как исходного Отжиг длительностью < 1 мин представляет опредематериала для получения кремниевых светоизлучающих ленные сложности. В работе [6] использовался лазерный структур путем формирования наночастиц кремния в отжиг импульсами длительностью в десятки наносекунд.

оксидной матрице. Такие наночастицы (аморфные, или Было показано, что происходит частичное разложение кристаллические) формируются в процессе термостиSiOx на кремний и оксид кремния и процесс имеет мулированного разложения аморфного SiOx на фазы пороговый характер. При этом авторы признают, что откремния и SiO2. Процесс неполного разложения часто жиг импульсным лазером не позволяет контролировать описывается реакцией температуру пленки, а также исследовать распределение температуры по толщине пленки. Результаты показыySiOx xSiOy +(y - x)Si, (0 < x < y 2). (1) вают, что температура на поверхности приблизительно Температура отжига определяет структуру наночаравна 1550C и на глубине в 100 нм спадает до 1000C.

стиц: отжиг при температурах ниже 800C приводит к Также показано, что происходит испарение материала формированию аморфных включений, при более высо(абляция) под влиянием лазерного излучения.

ких температурах образуются нанокристаллы Si (nc-Si), В работе [7] для получения нанокристаллов кремэлектронная структура которых модифицирована вследния использовался отжиг оксидных слоев короткими ствие квантово-размерного эффекта [1–3]. Фотолюминесценция (ФЛ), наблюдаемая в отожженных слоях SiOx импульсами эксимерного лазера (длительность 30 нс, длина волны 308 нм). Было показано, что такой отжиг в области спектра 700–900 нм, связывается с наличием не приводит к образованию наночастиц кремния даже наночастиц Si.

при высоких температурах нагрева, вплоть до плавления Для понимания природы фотолюминесценции, а также слоя оксида кремния.

для реализации контролируемых изменений в спектрах За несколько последних лет опубликовано значительФЛ необходимо изучить процессы, которые приводят к ное количество работ, посвященных термостимулирообразованию наночастиц кремния. Диффузионные явлеванным преобразованиям в имплантированных ионами ния в процессе отжига изучались во многих работах, но Si пленках SiO2 [8–10], в том числе и работ по импульсдо сих пор не существует удовлетворительной модели ному отжигу. Специфика данного метода состоит в том, и количественных оценок, достаточных для описания этих явлений. Приводимые во многих работах оценки что при имплантации ионов образуется большое число коэффициента диффузии различаются на порядки. дефектов и очень часто ФЛ наблюдается и в неотожженВ работах [4–6] проводились исследования влияния ных образцах. В работе [8] были применены два типа имвремени отжига слоев оксида кремния на спектры ФЛ.

пульсных отжигов: длительностью 1 с при температурах Было показано [4], что при отжиге длительностью в 900-1200C в атмосфере Ar и длительностью 20 мс при 1 мин при температуре 1250C происходит полное разтемпературах 1050-1350C (постоянная составляющая ложение SiOx на фазы Si и SiO2. Дальнейший отжиг 600C) в атмосфере N2. В работе не была изучена кинеприводит к медленному росту интенсивности люмитика формирования нанокристаллов в процессе отжига, ¶ E-mail: indutnyy@isp.kiev.ua однако результаты позволили сделать вывод о высокой 1240 В.А. Данько, И.З. Индутный, В.С. Лысенко, И.Ю. Майданчук, В.И. Минько, А.Н. Назаров...

скорости процесса образования наночастиц кремния в работе [11]. Этот метод позволяет определить x для имплантированных пленках. Эти результаты не могут свеженапыленных однородных образцов, в которых, как быть объяснены в рамках механизма диффузии кремния показано ранее [12], отсутствуют кремниевые включев матрице SiO2. ния. После высокотемпературного отжига в пленке выВ данной работе приводятся результаты более деталь- деляется дополнительно кремниевая фаза и зависимость ного исследования кинетики образования нанокластеров края поглощения от усредненного состава становится кремния в пленках SiOx в процессе быстрого термиче- немонотонной [2].

ского отжига. Исследования проводились с использова- Второй метод, согласно [13], базируется на зависимости положения полосы поглощения в ИК спектрах нием методов ИК спектроскопии и фотолюминесценции.

пленок SiOx в области 1000–1100 см-1 от состава пленки. Положение максимума указанной полосы монотонно 2. Эксперимент сдвигается от 980 см-1 для SiO в высокочастотную сторону при увеличении содержания кислорода в соОбразцы в виде тонких пленок SiOx получены терставе оксида. Данная полоса обусловлена валентными мическим испарением в вакууме (при остаточном давколебаниями мостикового кислорода — растягивающая лении 1 · 10-3 Па) монооксида кремния чистотой 99.9% мода Si–O–Si. Поскольку в ИК спектрах в этой области производства фирмы Сerac Inc. В качестве подложек проявляются только колебания кремний–кислородной использовались кремниевые пластины, полированные с фазы, а связи Si–Si не регистрируются, этот метод двух сторон, а также пластины плавленого кварца для можно использовать для определения состава оксидной оптических измерений в видимой области спектра. Скоматрицы как в свежеприготовленных, так и в отожженрость напыления образцов контролировалась с помощью ных образцах, которые содержат фазу кремния.

кварцевого осциллятора, поддерживалась постоянной и Таким образом, положение указанной ИК полосы составляла 1.5 нм/с для всех образцов. Толщины пленок поглощения реагирует на изменение состава оксидной измерялись с помощью микроинтерферометра МИИ-матрицы и позволяет определить отношение атомарного с точностью ±5 нм и составляли 350–450 нм. Такая кислорода и кремния в матрице до и после отжига толщина выбиралась для того, чтобы избежать интер(значения x и y в выражении (1)). В свою очередь ференционных эффектов в спектрах ФЛ.

измерение стехиометрического коэффициента матрицы Отжиг до температур 500, 600, 650, 700, 900 и 1000C позволяет найти количество кремния, который выпал в проводился с помощью установки полуавтоматического виде наночастиц, и определить удельный объем наночаимпульсного отжига „Импульс-3“, которая позволяет стиц в матрице.

контролировать температуру образца при времени отДля всех свеженапыленных образцов значение x, жига от 1 с. При этом время нагрева от 0 до 1000Cсоопределенное по краю межзонного поглощения, составставляло 4 с, время охлаждения до температуры 500C ляло 1.32, а по спектрам ИК пропускания 1.27.

составляло 9 с. Отжиг производился в атмосфере азота.

Некоторые образцы отжигались также в вакууме при 3. Результаты и их обсуждение температуре 600 и 700Cна протяжении 1–4мин.

Инфракрасные (ИК) спектры пропускания измерялись На рис. 1 представлены спектры ИК пропускания плев диапазоне волновых чисел = 800-1200 см-1 с понок SiOx непосредственно после осаждения (кривая 1) мощью спектрометра Specord 80, в качестве опорнои после отжига в атмосфере азота при температуре го образца использовалась кремниевая подложка без напыленной пленки. Фотолюминесценция возбуждалась аргоновым лазером на длине волны 488 нм, спектры измерялись в диапазоне 600–1100 нм при комнатной температуре.

Спектры пропускания и отражения образцов в видимой области измерялись при комнатной температуре с помощью спектрометра МДР-23. Используя полученные значения пропускания, отражения, толщины пленки и показатель преломления кварцевой подложки, рассчитывали спектр коэффициента поглощения нанесенного слоя SiOx.

Отношение атомарного содержания кислорода и кремния (значение x) в напыленных образцах определялось двумя методами. В первом методе использовалась экспериментально установленная зависимость положения края полосы межзонного поглощения от состаРис. 1. Спектры ИК пропускания. 1 — неотожженный обрава пленки SiOx. Данная зависимость протабулирована зец; 2, 3 — время отжига 1 и 38 с соответственно, температура для коэффициента поглощения на уровне 104 см-1 в отжига 650C.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Кинетика фазово-структурных преобразований в тонких пленках SiOx в процессе... T = 650C в течение 1 с (кривая 2) и 38 с (кривая 3).

Видно, что полоса ИК поглощения сдвигается в сторону более высоких частот при увеличении времени отжига от 1023 см-1 для неотожженной пленки до 1030 см-для 1 с и 1040 см-1 для 38 с, ее форма несколько изменяется. Аналогичные зависимости были получены при температурах отжига 600 и 700C.

При более высоких температурах (T = 900 и 1000C) высокочастотный сдвиг полосы практически одинаков для всех времен отжига, начиная с 1 с (результаты для 900С приведены на рис. 2).

Отжиг, проводимый при температуре 500C, не приводил к регистрируемому изменению ИК спектров слоев SiOx в области 1000-1100 см-1 в исследованном интервале времен (1-40 с).

Рис. 2. Спектры ИК пропускания. 1 — неотожженный обраНа рис. 3, a, b показаны зависимости высокочастотного зец; 2, 3 — время отжига 1 и 30 с соответственно, температура сдвига ИК полосы ( ) от времени быстрого термиотжига 900C.

ческого отжига. Поскольку величина характеризует изменение состава оксидной матрицы, т. е. количество избыточного кремния, выпавшего в виде нанокластеров, зависимости на рис. 3 описывают кинетику процесса термостимулированного разложения фаз в SiOx. Из рисунка видно, что при температурах выше 900C процесс разделения фаз завершается уже за 1 с отжига.

Это согласуется с результатами работы [9], в которой при температурах 1200 и 1350C нанокристаллы в имплантированных слоях SiO2 формировались за 1 с и 20 мс соответственно. При более низких температурах наблюдается более медленная кинетика процесса (рис. 3, a): постепенный рост количества выпавшего кремния с увеличением времени отжига и выход на насыщение. Время выхода на насыщение уменьшается с увеличением температуры. Для 600C оно составляет 40 c, для 650C — 10 c, 700C—4 c.

Таблица 1. Состав отожженных слоев SiOx T, C 500 600 650 700 900 y 1.27 1.4 1.5 1.52 1.92 2. Si, aт% 0 4.09 6.75 7.25 14.9 16.Примечание. T — температура отжига, y — коэффициент стехиометрии отожженной оксидной матрицы, определенный по положению ИК полосы поглощения, Si =[(y - x)/y(1 + x)] · 100% — атомная доля кремниевой фазы.

Следует отметить, что степень распада оксидной матрицы при выходе процесса на насыщение, т. е. разность y - x в уравнении (1), зависит от температуры. В табл. приведены значения коэффициента стехиометрии оксидной фазы слоев SiOx, отожженных при различных температурах в течение времени, большего, чем необходимое для выхода на насыщение кинетики термостимулированного разложения. Напомним, что состав слоя до отжига Рис. 3. Зависимость сдвига максимума полосы ИК поглощесоответствует x = 1.27.

ния от времени отжига. Температура отжига: a — T = 600 (1), Из табл. 1 следует, что практически полное разло650 (2), 700C (3); b — T = 900 (4), 1000C (5).

жение субоксида на Si и SiO2 происходит лишь при Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1242 В.А. Данько, И.З. Индутный, В.С. Лысенко, И.Ю. Майданчук, В.И. Минько, А.Н. Назаров...

кремния или на центрах рекомбинации, локализованных на границе нанокристалл–оксид, а более коротковолновая полоса соответствует излучательной рекомбинации электронно-дырочных пар в аморфных наночастицах кремния. Однако такая интерпретация некорректна для температуры 700C, поскольку при такой температуре кристаллическая фаза кремния еще не образуется.

Подобная двухмодовая структура ФЛ наблюдалась в спектре имплантированного кремнием и отожженного оксида кремния, выращенного во влажной атмосфере [15]. В работе [15] предполагалось, что длинноволновая полоса обусловлена интерфейсными состояниями, однако окончательное выяснение природы двухмодовой структуры ФЛ требует дальнейших исследований.

Рис. 4. Cпектры ФЛ образцов, отожженных при температуре Интенсивность ФЛ зависит от времени отжига иссле700C. Время отжига, c: 1 —3, 2 —5, 3 — 20.

дованных структур. Для температур 600-700C интенсивность растет с увеличением длительности отжига и достигает максимума в течение десятков секунд. Этот рост коррелирует с кинетикой выделения кремниевой фазы в процессе отжига, что подтверждает предположение о связи более коротковолновой полосы ФЛ с аморфными нановключениями кремния.

Для температур 900, 1000C максимальная интенсивность люминесценции была зафиксирована при минимальном времени отжига 1 с. С увеличением длительности отжига интенсивность резко падает и после 16 с начинает медленно возрастать. Рост интенсивности ФЛ продолжается при увеличении времени отжига до 30 мин [14], что хорошо согласуется с результатами других работ, где наблюдалось возрастание интенсивности ФЛ на протяжении 4 ч отжига [4,5]. Такое поведение Рис. 5. Cпектры ФЛ образцов, отожженных при температуре объясняется пассивацией в процессе отжига тех центров, 1000C. Время отжига, c: 1 —1, 2 —6, 3 — 36.

которые вызывают безызлучательную рекомбинацию на границе фаз Si и SiOy.

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.