WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 12 Метастабильность и релаксационные процессы в аморфном гидрогенизированном кремнии © Б.Г. Будагян, А.А. Айвазов, М.Н. Мейтин, А.Ю. Сазонов, А.Е. Бердников, А.А. Попов Московский институт электронной техники (Технический университет), 103498 Москва, Россия Институт микроэлектроники Российской академии наук, 150007 Ярославль, Россия (Получена 14 января 1997 г. Принята к печати 13 февраля 1997 г.) Проведено исследование кинетики структурной релаксации в аморфном гидрогенизированном кремнии aSi : H, осажденном различными методами, с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии. Полученные экспериментальные результаты были использованы для анализа природы метастабильных состояний в a-Si : H и исследования связи между структурной релаксацией и светоиндуцированной метастабильностью (эффект Стеблера–Вронского).

Введение В данной работе мы провели исследование кинетики структурной релаксации в a-Si : H, осажденном различАморфный гидрогенизированный кремний (a-Si : H) ными методами, с помощью ДСК. Полученные экспеиспользуется в настоящее время для изготовления фориментальные результаты были использованы для анаточувствительных приборов (фотодетекторы, сенсоры и лиза природы метастабильных состояний в a-Si : H, для солнечные элементы). Однако широкому применению чего исследовалась связь между структурной релаксациэтого материала препятствует низкая стабильность его ей и светоиндуцированной метастабильностью (эффект электронных свойств, вызванная релаксационными проСтеблера–Вронского) в пленках a-Si : H, полученных с цессами [1].

помощью плазмохимического осаждения из газовой фазы Кроме того, преградой на пути промышленного изгопри различных технологических параметрах.

товления приборов на основе a-Si : H является низкая скорость осаждения материала ”приборного” качества Эксперимент (1 2 /с). Увеличение скорости осаждения ведет к возникновению микроструктурных неоднородностей, коПленки a-Si : H были получены с помощью разложения торые вызывают релаксацию структуры и ухудшение смесей (10%SiH4 + 90%H2) и (5%SiH4 + 95%He) в высоэлектронных свойств. Однако роль микроструктурной кочастотном (13.56 МГц) тлеющем разряде при удельной неоднородности в настоящее время остается неоднозначмощности разряда 0.3 Вт/см2 и температуре подложки ной, хотя известно, что даже материал, полученный при Ts в диапазоне 200 310C. Пленки a-Si : H с высокими оптимальных технологических параметрах, содержит нескоростями роста были получены осаждением из чистого однородности микроструктуры (микропоры, колонны, моносилана в низкочастотном тлеющем разряде (частота кластерированный водород) [2–4].

возбуждения 55 кГц) при мощности 200 Вт, температуре Для исследования процессов, протекающих в струкподложки 225C и давлении в диапазоне 55–95 Па. После туре неупорядоченных сплавов тетраэдрических полуосажения пленки отжигались при темпераутре 240C в проводников, в ряде работ применялись методы диффетечение 0.5 ч при давлении 10-3 Па в целью удаления ренциальной сканирующей калориметрии (ДСК) [5–8] неконтролируемых примесей (O, N и C), содержание и дифференциального термического анализа (ДТА) [9].

которых контролировалось с помощью оже-анализа по Эффективность этих методов была продемонстрирована толщине пленки.

при анализе релаксационных процессов в температурной Пленки осаждались на подложки из стекла типа области 100 300C [5,6,9] и эффузии водорода при Corning 7059 для измерений эффекта Стеблера–ВронT > 300C [5–9]. В то же время вопросы, касающиеся природы низкотемпературного экзотермического эффек- ского, а также на подложки из монокристаллического кремния для ДСК и инфракрасной (ИК) спектроскопии.

та и знака (экзо- или эндоэффект) высокотемпературного эффекта, остаются открытыми. Различие в знаке высоко- Для измерений ДСК образцы массой 10 мг приготавливались в виде порошка механическим соскребанием температурного эффекта в сплавах a-Ge : H и a-CSiGe : H, как было показано, связано с различием в методике и ап- пленок с подложки и затем помещались в герметичные алюминиевые ампулы.

паратуре ДСК, использованной для анализа [7]. С другой стороны, количественный анализ этих результатов [8] Количественные измерения ДСК проводились по мепредставляет трудности вследствие одновременного про- тоду теплового потока на микрокалориметре Du Pont текания нескольких процессов в одной и той же темпе- DSC 910 при постоянной скорости нагрева из диапазона ратурной области (эндотермическая эффузия водорода и 550C/мин в температурном интервале от 20 до 570C экзотермическая перестройка структуры) [5,7]. в атмосфере Ar. Перед каждым анализом снималась 1450 Б.Г. Будагян, А.А. Айвазов, М.Н. Мейтин, А.Ю. Сазонов, А.Е. Бердников, А.А. Попов кривая нагрева пустой ампулы, которая потом использовалась в качестве базовой линии.

Спектры ИК пропускания пленок a-Si : H измерялись на двухлучевом спектрометре SPECORD M-80. Для расчета концентрации связанного водорода использовалась полоса поглощения 630 см-1 [10]. Структурная неоднородность пленок оценивалась с помощью микроструктурного параметра IR =, I2000 + Iгде I2000 и I2100 — интегралы интенсивности поглощения в полосах 2000 и 2100 см-1.

Измерение эффекта Стеблера–Вронского проводилось на структурах с алюминиевыми копланарными электродами, нанесенными на поверхность пленки a-Si : H и отожженными при 200C в течение 0.5 ч. Отсутствие влияния контактов и поверхностного изгиба зон на результаты измерений подтверждалось линейностью вольтамперных характеристик образцов. Образцы освещались Рис. 2. Кривые ДСК для пленок a-Si : H, осажденных из газовой He–Ne-лазером ( = 633 нм), интенсивность падающего смеси 10%SiH4 + 90%H2, при скоростях нагрева в C/мин:

излучения составляла 1017 фотон/(см · с). Величина 1 —5, 2 — 10, 3 — 20, 4 — 50.

приложенного электрического поля составляла 10 В/см.

Кинетика генерации дефектов измерялась при температурах 80 150C при продолжительности облучения 2 ч.

Результаты Кривые ДСК для пленок a-Si : H, осажденных при различных параметрах, представлены на рис. 1. Как видно, на кривых отмечается низкотемпературный экзотермический эффект (НТЭ), начинающийся от 100C. При Рис. 3. Кривые ДСК для пленок a-Si : H, осажденных из газовой смеси 5%SiH4 + 95%He, при температурах подложки Ts, C/мин: 1 — 20, 2 — 175, 3 — 305.

более высоких температурах наблюдаюся два высокотемпераутрных экзотермических эффекта (ВТЭ) при 320 и 420C для пленок a-Si : H, осажденных из моносилана, разбавленного гелием, и один ВТЭ около 420C для прочих пленок a-Si : H.

На рис. 2 показаны кривые ДСК для a-Si : H, осажденного из газовой смеси (90%H2 + 10%SiH4), полученные при различных скоростях нагрева: 5, 10, 20 и 50C/мин.

Все эти кривые содержат относительно малый НТЭ в температурной области 120 280C и сильный ВТЭ при Рис. 1. Кривые ДСК для пленок a-Si : H, полученных 420 430C. Увеличение скорости нагрева увеличивает разложением в тлеющем разряде смесей: 1 — [SiH4 + H2], температуру начала эффекта (см. табл. 1), что свиде2 — [SiH4 + He], 3 — [SiH4], 55 кГц. Линии соответствуют мотельствует о его кинетической природе. Величина интеделированию низко- и высокотемпературных экзотермических гральной теплоты, выделяющейся в области НТЭ, слабо эффектов.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Метастабильность и релаксационные процессы в аморфном гидрогенизированном кремнии Таблица 1. Зависимость температуры начала Tst и инте- слабые связи Si–Si и водородные кластеры типа SiH2 или гральных величин теплоты Q термических эффектов в пленках SiH [5,9]. Плотность слабых связей Si–Si, расположенa-Si : H, осажденных из газовой смеси (90%H2 + 10%SiH4), ных на внутренних границах, составляет согласно нашим от скорости нагрева расчетам (4±1)·1020 см-3 в пленках a-Si : H, осажденных из разбавленного водородом моносилана [9]. В этой Скорость Tst, C Q, Дж/г работе было также показано, что релаксация слабых нагрева, Тип эффекта связей Si–Si ведет к возникновению НТЭ. Аналогичные результаты были получены для a-Si1-xNx : H [9] и для C/мин НТЭ ВТЭ НТЭ ВТЭ пористого Si [13]. Таким образом, низкотемпературный 5 80 310 18.2 84.экзотермический эффект является свойством широкого 10 90 325 18.3 65.класса неупорядоченных материалов, а его появление 20 100 350 24 62.связано с существованием неравновесных слабых связей 50 115 375 24.9 58.Si–Si в неоднородной пленке.

Высокотемпературный экзотермический эффект наблюдался в аморфных сплавах Si и Ge в температурвозрастает со скоростью нагрева, что согласуется с завиной области, соответствующей эффузии водорода, что симостью сигнала ДСК от скорости нагрева. Уменьшение подтвержадется экспериментами по эффузии газа (gas величины интегральной теплоты в области ВТЭ связано evolution, GE) [5,14]. Мы рассчитали энергию актисо сдвигом области ВТЭ к температурам, превышающим вации этого эффекта в пленках a-Si : H, осажденных из предел измерения использованного оборудования.

разбавленного водородом моносилана, согласно уравнеКривые ДСК a-Si : H, осажденного из газовой смеси нию [15] (95%He + 5%SiH4), полученные при скорости нагрева d ln(rh/Tmax) E 10C/мин, показаны на рис. 3. Данные кривые предста- = -, (1) d(1/Tmax) R влены после вычитания базовой линии. По сравнению с рис. 2 особенностями данных кривых является следую- где rh, Tmax, R и E — скорость нагрева, температура щее: а — НТЭ однородно распределен в темпераутрной максимума эффекта, универсальная газовая постоянная и области выше 100C, б — имеется два ВТЭ максимума энергия активации соответственно. С этой целью область при 315 и 420C. ВТЭ кривых ДСК, показанных на рис. 1, была выделена, и базовые линии для них были вычтены. Величина энергии активации оказалась равна 1.68 эВ, что соответствует Обсуждение и модель величине энергии активации диффузионно контролируемой эффузии водорода (1.5 эВ) из нелегированного Низкотемпературный экзотермический эффект при a-Si : H [14]. Таким образом, температура максимума температурах выше 100C обнаруживался ранее в разВТЭ и температура его начала характеризуют формы личных сплавах: a-Ge : H [5], a-Si : H [8], a-SiC : H [6], связывания водорода в пленке [5,14].

a-SiGe : H и a-CSiGe : H [7], a-Si1-xNx : H [9], а также На кривых ДСК пленок a-Si : H, осажденных из мов негидрогенизированных a-Si и a-Ge [5]. Во всех носилана, разбавленного He (рис. 3), выделяются два этих случаях образцы характеризовались структурной экзотермических максимума: при 315 и 420C, что поднеоднородностью, а в некоторых случаях и ясно разлитверждает наличие различной микроструктуры водорода чимой островковой структурой, наблюдаемой с помощью в этих пленках. Эффузия водорода является эндотерпросвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) [5,9].

мическим процессом [16], хотя в наших экспериментах Структурная неоднородность исследованных нами наблюдается экзотермический эффект. Это противоречие пленок, осажденных из разбавленного водородом монообъясняется экзотермической структурной перестройкой силана, была выявлена в предыдущей работе с помощью ПЭМ [9]. Как показано в литературе, возникновение неоднородностей (микропор и т. д.) в a-Si : H связано с Таблица 2. Концентрация водорода NH, микроструктурный вторичными реакциями в плазме и с доминирующей параметр R, температура начала Tst и интегральная теплота Q ролью радикалов SiH2 в процессе роста пленки [11].

термических эффектов a-Si : H, осажденного из SiH4, разбавленВ работе [12] было показано, что микроструктура пле ного H2 и He (скорость нагрева 10 C/мин) нок, осажденных при сильном разбавлении моносилана гелием, также является неоднородной. Наконец, неодTst, C Q, Дж/г Разбавнородность микроструктуры пленок a-Si : H, осажденных NH, R Тип эффекта ленный из этих смесей, подтверждается высоким значением паат% НТЭ ВТЭ НТЭ ВТЭ раметра R (табл. 2), полученного из данных ИК спекгаз 1 2 1 троскопии. Таким образом, присутствие НТЭ на кривых ДСК наших образцов также связано со структурной H2 14.0 0.25 90 – 325 18.3 – 65.неоднородностью пленок.

He 16.4 0.56 130 240 345 7.0 26.2 58.Характерной особенностью такой микроструктуры He 7.2 0.20 140 240 345 5.2 7.9 19.является высокая доля внутренних границ, содержащих He 7.7 0.19 115 240 360 13.2 28.9 43.Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 1452 Б.Г. Будагян, А.А. Айвазов, М.Н. Мейтин, А.Ю. Сазонов, А.Е. Бердников, А.А. Попов кремниевой сетки после выхода водорода [1,3], про- ДСК, что может быть использовано для моделирования текающей в том же температурном диапазоне. Таким НТЭ на кривых ДСК. Величина dNs0(T ) может быть образом, наблюдаемый в a-Si : H, эффект является супер- оценена с использованием итерации позицией эндотермической реакцией, сопровождающих dNs0(T1) = N1 - Nэффузию водорода из этого материала.

Вышеприведенные результаты, демонстрирующие и связь между микроструктурой и релаксационными N1 - N = N0 - N exp -(dt/1)1, (6) процессами, были использованы для исследования где N0 — начальная концентрация метастабильных деприроды метастабильности в a-Si : H. В основе фектов при температуре T ; N1 — концентрация меисследования лежали следующие положения: а — тастабильных дефектов и 1 — время релаксации при возникновение НТЭ связано с установлением равновесия температуре T1 = T + dT, 1 = T1/T0. Равновесная между слабыми связями Si–Si и оборванными связями, концентрация дефектов N при данной температуре б — НТЭ наблюдается в той же температурной области, определяется из закона действующих масс, примененночто и эффект Стеблера–Вронского (ЭВС). Установление го к реакции (2) (уравнение (5) из [17]), и в темноте равновесия между слабыми связями Si–Si и оборванными (условие, при котором проводились наши исследования связями в присутствии свободных носителей заряда по методу ДСК) записывается как рассматривалось согласно следующему механизму [17]:

N/(Nt - N) =4exp(-F/kT ), (7) e + h +(Si-Si)weak 2D0, (2) где Nt — плотность слабых связей Si–Si перед преобразогде e —электрон, h —дырка, (Si–Si)weak — слабая связь ванием в дефекты, а F = 2(Ed -E ) =0.8 эВ определяет кремния, D0 — нейтральный дефект (оборванная связь разницу в энергии между состояниями дефектов Ed и кремния).

слабых связей E.

Эта реакция предполагалась ответственной за возникКонцентрация метастабильных дефектов Ni при темновение как светоиндуцированного, так и термического пературе Ti описывается выражением эффектов в нелегированном a-Si : H, включая генерацию Ni+1 - N =(Ni -N) exp -(dt/i)i, (8) и отжиг дефектов. Учитывая, что реакция (2) является также причиной структурной релаксации, мы провели где i = 0 exp(E /kTi), иi =Ti/T0. Для моделирования моделирование НТЭ на кривых ДСК с целью вычисления НТЭ использовалось значение 0 = 10-10 с, соответпараметров кинетики данного процесса.

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.