WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 11 Влияние дозы и режима отжигов на формирование центров люминесценции в SiO2, имплантированном ионами Si © Г.А. Качурин, А.Ф. Лейер, К.С. Журавлев, И.Е. Тысченко, А.К. Гутаковский, В.А. Володин, В. Скорупа, Р.А. Янков Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия Исследовательский центр Россендорф, Д-01314 Дрезден, Германия (Получена 27 ноября 1997 г. Принята к печати 27 апреля 1998 г.) Исследованы спектры фотолюминесценции слоев SiO2, имплантированных суммарными дозами 1.6 · 1016, 4 · 1016 и 1.6 · 1017 см-2 ионов Si и затем отожженных в стационарном (30 мин) и импульсном (1с и 20 мс) режимах. Структурные изменения контролировались высокоразрешающей электронной микроскопией и комбинационным рассеянием. Обнаружено, что при снижении дозы с 4·1016 см-2 до 1.6·1016 см-2 перестают формироваться центры слабой фотолюминесценции видимого диапазона, а также теряется возможность сформировать последующими отжигами нанокристаллы Si и получить сильную фотолюминесценцию в красной–ИК области. Отжигу после больших доз присущи стадии роста фотолюминесценции (до -700C), ее гашения при 800 900C и возникновения очень интенсивной полосы фотолюминесценции вблизи 820 нм (более 900C). Последней стадии соответствует появление нанокристаллов Si. Дозовая зависимость объяснена потерей возможности вытесняемых из SiO2 избыточных атомов Si взаимодействовать между собой с образованием перколяционных кластеров. Особенности отжигов обусловлены при слабых нагревах доминированием перколяционных кластеров Si, а выше 700C — трансформацией этих кластеров в фазовые выделения, не дающие фотолюминесценции. При температуре выше 900C образующиеся нанокристаллы Si дают интенсивную полосу фотолюминесценции благодаря квантово-размерному эффекту.

Различие в скоростях перколяции и превращения кластеров в фазовые выделения влияет на преципитацию кремния при комбинированных отжигах.

Введение ложенная схема развития процессов в целом объясняла имевшийся экспериментальный материал. Однако для Интерес к созданию светоизлучающих элементов на более глубокого их понимания необходимо было исслеоснове кремния диктуется потребностями интегральдовать зависимости люминесценции от дозы ионов и от ной микрооптоэлектроники. Вследствие ряда физических режимов отжига. Этому посвящена настоящая работа.

причин излучательная рекомбинация в Si крайне затруднена, что существенно ограничивало его применение в Методика оптических элементах и схемах. Лишь в последние годы наметился реальный путь решения этой проблемы — Ионы Si+ с энергиями 200 и 100 кэВ внедрялись в использование квантово-размерных эффектов в кремнитермически выращенные пленки SiO2 толщиной 500 нм.

евых наноструктурах. Вначале в пористом кремнии, а Имплантация двумя энергиями проводилась для получезатем в слоях SiO2 с избыточным Si удалось достичь ния слоя с относительно равномерным распределением эффективной излучательной рекомбинации при комнатизбыточного Si. Для этого в соответствии с расчетами ной температуре в видимой (или ближней инфракрасной по программе TRIM соотношение доз на большой и (ИК)) области. Особенно перспективно создание подобмалой энергиях бралось как 1 : 0.6. Использовались три ных наноструктур ионной имплантацией [1–9]. Вместе с суммарные дозы — 1.6 · 1017, 4 · 1016 и 1.6 · 1016 см-2, тем причины появления интенсивного излучения все еще которые в дальнейшем будут именоваться, соответствендо конца не поняты и природа центров излучательной рено, большой, средней и малой. Постимплантационные комбинации остается предметом дискуссий [10,11]. Чаотжиги проводились как в печи последовательно по ще всего альтернативными источниками эмиссии назы30 мин в интервале температур Ta = 400 1150C, вают несовершенства в SiO2. Такие утверждения не литак и под импульсными лампами с длительным нагрешены основания, поскольку неоднократно наблюдалось вом 1 с и 20 мс. Спектры фотолюминесценции (ФЛ) в появление полос люминесценции без дополнительных интервале длин волн = 550 950 нм снимались в отжигов, падение интенсивности свечения с нагревом, одинаковых условиях регистрации при 20C с фиксироусиление свечения при внедрении ионов инертных газов ванным по мощности возбуждением аргоновым лазером и его зависимость от условий отжига [2,9,12–16]. В работах [6,7] изменения интенсивности и длины волны ( = 488 нм). Ar-лазер был использован также в измереизлучения в зависимости от условий обработки им- ниях комбинационного рассеяния света. Высокоразрешаплантированных слоев связывали не с дефектами, а с ющая электронная микроскопия (HREM) осуществлена особенностями выделения избыточного Si из SiO2. Пред- на микроскопе JEM-4000 EX.

1372 Г.А. Качурин, А.Ф. Лейер, К.С. Журавлев, И.Е. Тысченко, А.К. Гутаковский, В.А. Володин...

Результаты Ранее было обнаружено [7,8], что при отжигах нанокристаллы Si успевают образоваться за очень короткие Уменьшение суммарной дозы ионов Si в пределах времена, когда обычной длины диффузии атомов Si одного порядка коренным образом повлияло на ФЛ.

и SiO2 недостаточно для их стока на центры роста.

Для большой дозы уже после минимальных отжигов Поэтому интересно было проверить, будут ли формипоявлялось заметное свечение во всем исследованном роваться нанокристаллы импульсными нагревами, если спектральном диапазоне (рис. 1). Для средней и малой дозы имплантации снизить. Оказалось, что интенсивная доз сигнал был на уровне фона. Дальнейший рост Ta ИК полоса под действием коротких тепловых импульсов привел к существенно различным результатам. После формируется только после большой дозы (рис. 2). После большой дозы четко проявились 3 стадии изменения малой и средней доз ни на 20 мс, ни за 1 с подобная полоФЛ. До 700C она росла на всех длинах волн с са не возникает. Послеимпульсный доотжиг образцов в сохранением общего максимума вблизи = 800 нм.

печи дал следующее. В случае имплантации малой дозы В интервале Ta = 800 900C эмиссия падала почти предварительный тепловой импульс, не приводивший до нуля. С увеличением Ta до 1000 и 1150C наблюсам по себе ни к каким изменениям в спектре ФЛ далось повторное и очень резкое усиление ФЛ с обра(рис. 2, c, кривая 1), способствовал при печном доотжиге зованием выраженной интенсивной полосы в красной– при 1000C формированию центров ФЛ, в особенности в ИК области (max = 820 нм). После средней дозы оранжевой области (рис. 2, c, ср. кривые 2 и 4). Правда, первые две стадии практически не проявились и до свечение было слабым и исчезало при увеличении темпеTa = 1000C свечение было крайне слабым. Его спектры ратуры доотжига до 1150C (рис. 2, c, кривая 3). После после Ta = 600 900C были близки к спектру 1 на средней дозы 30-минутные доотжиги уже приводили рис. 1, b. Формирование очень интенсивной полосы нак появлению выраженной полосы ФЛ вблизи 800 нм блюдалось лишь при повышении Ta до 1150C. Как видно (рис. 2, b). Интенсивность ее была высокой, но все из рис. 1, здесь в более явной форме, чем после большой же ниже, чем дает один отжиг в печи при 1150C. С дозы, проявляется ее сложный состав. По сравнению другого стороны, предварительные импульсные нагревы с большой дозой интенсивность ее коротковолнового явно способствовали ее более раннему формированию.

края (например, на = 700 нм) возрастает, а длинноКак видно из сравнения рис. 1, b и2, b, одинпечнойотжиг волнового края ( = 900 нм) — уменьшается. После при Ta 1000C фактически ничего не дает. Если же был внедрения малой дозы получить интенсивную эмиссию использован предварительный импульсный нагрев, то не удается никакими отжигами. Замечен лишь некоторый полоса начинает формироваться уже после Ta = 900C, рост желто-оранжевого свечения после 1000C, но и оно а после 1000C она уже достаточно интенсивна.

исчезало при Ta = 1150C (см. рис. 2, c).

Результаты послеимпульсного доотжига образцов, имплантированных большой дозой, представлены на рис. 2, a и 3. В этих образцах центры интенсивной ФЛ формируются за 1 с при 1200C и за 20 мс при 1350C.

Их последующий доотжиг в печи при сравнительно низких температурах ведет к гашению ФЛ и между Ta = и 900C она практически исчезает. Только при Ta от 900C и выше наступает резкий рост интенсивности, стремящийся к насыщению. На рис. 3 показано также в сравнении, как изменяется с отжигом интенсивность ФЛ образцов, не прошедших предварительного импульсного нагрева. При повышении Ta до 700C отмечается ее некоторый рост, но затем видны те же стадии гашения и последующего сильного возрастания.

По данным HREM (рис. 4) нанокристаллы Si в SiOобразуются только после высокотемпературных обработок и только после большой и средней доз. В случае малой дозы даже после максимальных отжигов нанокристаллы обнаружены не были. Эти данные согласуются с условиями появления интенсивности полосы ближней ИК области. При обычном отжиге в печи 1150C30 мин большая доза давала высокую концентрацию нанокристаллов с размерами около 3 нм (рис. 4). При средней Рис. 1. Изменение спектров ФЛ с ростом Ta после импландозе нанокристаллов было меньше и наряду с ними тации большой (a) и средней (b) доз ионов Si. Температуры 30-минутного отжига, Ta, C: a) 1 — 600, 2 — 700, 3 — 800, появлялись темные некристаллические области наноме4 — 900, 5 — 1000, 6 — 1150; b) 1 — 400, 2 — 1000, 3 —1150.

тровых размеров. Предварительные импульсные нагревы В пунктирных кривых ординаты увеличены в 3 раза.

повлияли на структурные превращения в слоях. Это Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Влияние дозы и режима отжигов на формирование центров люминесценции в SiO2... Рис. 2. Изменение спектров ФЛ с ростом Ta после имплантации большой (a), средней (b) и малой (c) доз ионов Si и высокотемпературных импульсных отжигов. a) Вначале 1200C, 1 c (1), затем отжиги при Ta, C: 2 — 700, 3 — 800, 4 — 900, 5 — 1000, 6 — 1150. b) В начале 1200C, 1 c (1), затем отжиги при Ta, C: 2 — 900, 3 — 1000, 4 — 1150. У пунктирных кривых ординаты увеличены в 3 раза. c) 1 — до отжигов, а также после отжига при 1350C, 20 мс либо после Ta = 1150C, 30 мин.

2 — после отжига при Ta = 1000C, 30 мин. 3 — вначале 1350C, 20 мс, затем Ta = 1150C, 30 мин. 4 — вначале 1350C, 20 мс, затем Ta = 1000C, 30 мин.

проявилось после больших доз в укрупнении кристаллов Si от 2-3 до 3-5нм. Из рис. 4, c видно, что значительная их часть смыкается друг с другом. при средней дозе имплантации не было замечено роста размеров и количества кристаллов. При малой дозе нанокристаллы не формировались совсем.

Сопоставление данный ФЛ и HREM указывало на несомненную корреляцию между появлением интенсивной полосы в ближнем ИК диапазоне и формированием нанокристаллов Si. Выяснения причин гашения ФЛ при Ta = 800C (рис. 3) такому отжигу были подвергнуты образцы, где путем внедрения большой дозы Si и импульсных нагревов заранее были сформированы кремниевые нанокристаллы и достигнута интенсивная ФЛ. Результаты измерения спектров комбинированного рассеяния показаны на рис. 5. Внедрение ионов Si приводило к дополнительному рассеянию вблизи 480 см-1, вызванному связями Si–Si некристаллического кремния.

Оно существенно ослаблялось после импульсных нагревов, причем справа от пика 520 см-1, вносимого кремниевой кристаллической подложкой, появлялся выступ.

Такой сигнал способны давать кристаллы Si размерами около 3 нм, наблюдавшиеся в [6]. Если же после высокотемпературных импульсных нагревов образцы отжечь в печи при Ta = 800C, то выступ у пика 520 см-1 исчезает и вновь появляется характерное для некристаллического Si рассеяние в области 480 см-1. По сравнению с Рис. 3. Изменение максимальной интенсивности ФЛ при начальным оно даже возрастает. Исчезновение нано- 30-минутных отжигах. 1 — только отжиг в печи. 2 —вначале 1200C, 1 c, затем отжиг в печи. 3 — вначале 1350C, 20 мс, кристаллов Si после отжигов 800C, 30 мин напрямую затем отжиг в печи.

подтвердила HREM.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 1374 Г.А. Качурин, А.Ф. Лейер, К.С. Журавлев, И.Е. Тысченко, А.К. Гутаковский, В.А. Володин...

Рис. 4. Высокоразрешающие электронно-микроскопические изображения образцов. Большая (a) и средняя (b) дозы, отжиг при 1150C, 30 мин; c — большая доза, отжиг при 1200C, 1 c, затем при 1150C, 30 мин.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Влияние дозы и режима отжигов на формирование центров люминесценции в SiO2... Обсуждение результатов Изменение дозы ионов Si в сравнительно узком интервале (1.6 16) · 1016 см-2 оказывает чрезвычайно большое влияние на формирование центров ФЛ, а дозовые зависимости явно имеют пороговый характер. В этом интервале доз расчетное среднее расстояние между атомами избыточного Si уменьшается до r < 1нм. В то же время рост интенсивности ФЛ в видимой и ИК областях наблюдался нами при Ta < 700C, когда, согласно [17], длина диффузии Si в SiO2 должна быть менее 0.1 нм.

Поэтому на начальных стадиях формирования центров ФЛ решающую роль играют, очевидно, не диффузионные потоки избыточного Si к центрам преципитации, а возможности непосредственного взаимодействия атомов Si между собой. Критическим оказался переход от r 1нм (средняя доза) к r 1.4нм (малая доза).

Такое небольшое увеличение r фактически исключает возможность достижения интенсивной ФЛ за счет дальнейших отжигов. Следовательно, как формирование при умеренных нагревах центров слабого видимого излучения, так и образование нанокристаллов в результате высокотемпературных обработок с появлением яркой ИК полосы обязаны взаимодействию близко расположенных атомов избыточного Si. Вероятность подобного взаимодействия будет в очень сильной степени зависеть от r, а сам процесс будет протекать по местам случайных Рис. 5. Спектры рекомбинационного рассеяния. 1 —исходный сближений атомов Si и останавливаться при отсутствии слой SiO2; 2 — после имплантации большой дозы ионов у крайних атомов близких соседей, т. е. будет носить Si; 3 и 4 — после кристаллизующих отжигов 1200C, 1 c и перколяционный характер. Мы полагаем, что появление 1350C, 20 мс соответственно; 5 и 6 —образцы 3 и 4 после на начальных стадиях отжига набора центров ФЛ во дополнительного отжига 800C, 30 мин.

всем исследованном спектральном диапазоне (рис. 1) обусловлено формированием перколяционных цепочек и ветвящихся кластеров разных размеров и форм. Пости атомов Si необходимы устойчивые зародыши (стоки).

добные выделения не являются фазовыми, поскольку не Условия образования зародышей выполняются при переимеют фазовых границ.

ходе к средней дозе, когда появляются возможности разКак показывают проведенные исследования, образовития перколяционных процессов. Таким образом, перкование центров ФЛ в процессе отжига протекает в неляция обусловливает гомогенное зародышеобразование сколько стадий (рис. 1–3). Интерпретация первой — при распаде пересыщенного твердого раствора Si в SiO2.

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.