WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 1 Формирование центров фотолюминесценции при отжиге слоев SiO2, имплантированных ионами Ge © Г.А. Качурин¶, Л. Реболе, И.Е. Тысченко, В.А. Володин, М. Фёльсков, В. Скорупа, Х. Фрёб† Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия Исследовательский центр Россендорф, D-01314 Дрезден, ФРГ † Дрезденский технический университет, D-01062 Дрезден, ФРГ (Получена 17 декабря 1998 г. Принята к печати 8 июня 1999 г.) Методами фотолюминесценции, комбинационного рассеяния и спектроскопии обратного рассеяния -частиц исследовано формирование центров видимого рекомбинационного излучения при отжиге слоев SiO2, имплантированных ионами Ge. Обнаружено, что обусловленные Ge центры формируются сразу после имплантации, а с повышением температуры отжига до 800C проявляются стадии роста и спада интенсивности полос фотолюминесценции. Диффузионное перераспределение атомов Ge наблюдалось только после 1000C и сопровождалось формированием германиевых нанокристаллов. Это, однако, не приводило к появлению интенсивной фотолюминесценции в отличие от прошедших аналогичную обработку слоев SiO2 с избытком Si. Считается, что до начала диффузии Ge формирование центров фотолюминесценции происходит путем замыкания прямых связей между близкими избыточными атомами, что дает доминирующую фиолетовую полосу (аналогичную фотолюминесценции вакансий O в SiO2) и слабое длинноволновое свечение различных комплексов Ge. Последующее образование центров фотолюминесценции с m 570 нм при отжигах ниже 800C объяснено стягиванием связанных атомов Ge в компактные некристаллические преципитаты. Отсутствие после высокотемпературных отжигов сильной фотолюминесценции обусловлено несовершенством границ раздела между сформировавшимися нанокристаллами Ge и матрицей SiO2.

Введение структуры, но именно они после нагревов 300C были ответственны за ФЛ с m 540 нм. В работе [9] = Для кремниевой микроэлектроники создание эффек- было отмечено, что при температурах отжига Ta менее тивных излучателей света имело бы исключительно 800C в SiO2 присутствуют мелкие некристаллические большое значение, поскольку позволило бы интегри- преципитаты Ge. Их число растет с ростом Ta, и только ровать схемы электрической и оптической обработки к 800C они превращаются в нанокристаллы. Именно с информации. В последние годы наметилась перспектива Ge-кластерами размером 2 нм, а не с нанокристаллами решения этой проблемы — использование квантово- связывалась красная ФЛ в статье [10]. В то же время в размерных эффектов в нанокристаллах Si. Интенсив- ряде исследований [11–13] источником ФЛ в диапазоне 500–800 нм считались германиевые нанокристаллы и ное излучение у границы красной и ИК области было оценивалось возможное влияние их размеров на излуполучено после высокотемпературных отжигов слоев чение. Между тем в [14] такой связи между ФЛ в диаSiO2, содержавших избыточный Si [1–6]. Одновременно пазоне 600–800 нм и размерами нанокристаллов Ge не с появлением интенсивной фотолюминесценции (ФЛ) обнаружено. В работе [15] наблюдалась фиолетовая понаблюдалось образование кремниевых нанокристаллов, лоса, приписываемая дефектам на границе германиевых что позволило связать ФЛ с квантово-размерным эффекнанокристаллов с матрицей. Ни в одной из цитированных том, хотя детальный механизм излучения до конца пока работ нет указаний, что высокотемпературные отжиги не ясен. Интерес привлекал и другой непрямозонный слоев SiO2 с Ge приводят к появлению интенсивной ФЛ, полупроводник IV группы — Ge. Нанокристаллы Ge в что характерно для SiO2, имплантированного ионами слоях SiO2 из-за большого радиуса экситона в германии кремния.

должны проявлять ФЛ с большим голубым сдвигом [7].

Таким образом, к настоящему времени остается открыОднако здесь данные о корреляции между формированитым вопрос не только о связи ФЛ с нанокристаллами ем нанокристаллов и центров интенсивной ФЛ весьма Ge, но и о процессе формирования центров ФЛ при противоречивы. В ранней работе [7] сообщалось, что отжиге. В частности, принципиально важно определить, в слоях SiO2 с Ge после отжига 800C появляются происходит ли по аналогии с Si в SiO2 образование на кристаллиты с размерами около 6 нм и широкая полоса определенной стадии отжига нанокристаллов Ge, сопроФЛ с максимумом m = 570 нм. Авторы [8] отжигали вождающееся появлением ФЛ большой интенсивности.

SiO2 с Ge при температурах от 300 до 800C и отметили Для выяснения поставленных вопросов в данной работе рост размеров кристаллитов Ge от 4 до > 14 нм.

были проведены изохронные отжиги слоев SiO2, имПреципитаты размерами < 4 нм не имели алмазной плантированных ионами Ge, при параллельном контроле ¶ E-mail: kachurin@isp.nsc.ru за спектрами ФЛ во всем видимом диапазоне и за 24 Г.А. Качурин, Л. Реболе, И.Е. Тысченко, В.А. Володин, М. Фёльсков, В. Скорупа, Х. Фрёб преципитацией Ge. Для сравнения в тех же условиях отжигались слои SiO2, имплантированные кремнием до тех же уровней легирования. Режимы возбуждения и регистрации ФЛ для всех образцов были одинаковыми.

Методика Слои SiO2 толщиной 500 нм были выращены термически на Si(100). Для получения широкого имплантированного слоя ионы Ge+ внедрялись вначале с энергией 450 кэВ, дозой 3 · 1016 см-2, а затем с энергией 230 кэВ, дозой 1.8 · 1016 см-2. Для получения соответствующего распределения в образцах сравнения ионы Si+ имплантировали с энергией 200 кэВ, дозой 3 · 1016 см-2, а затем 100 кэВ, дозой 1.8 · 1016 см-2. В дальнейшем для краткости будем именовать их слоями SiO2 : Ge и SiO2 : Si соответственно. Отжиги проводили в атмосфере N2 по 30 мин с шагом 200C, в интервале 400 1200C. Спектры ФЛ снимали при комнатной температуре при фиксированном уровне возбуждения излучением с e = 250 нм. При комнатной температуре были сняты также спектры возбуждения ФЛ. На приводимых спектрах ФЛ интенсивности даны в одних и тех же единицах, что позволяет проводить сравнения. Возможности диффузии атомов Ge в функции Ta оценивались Рис. 1. Изменение спектров ФЛ слоев SiO2 : Ge при изохрониз данных резерфордовского обратного рассеяния ионов ном (30 мин) отжиге. Ta, C: 1 —до отжига, 2 — 400, 3 — 600, He+ с энергией 1.5 МэВ. Чувствительность методики по 4 — 800, 5 — 1000, 6 — 1200. Врезка — длинноволновая часть германию составляла около 1019 см-3, а разрешение по спектров. Приведен также спектр для SiO2 : Si после отжига при глубине 10 нм. За появлением нанокристаллов Ge при 1200C (штрихпунктир).

росте Ta следили по комбинационному рассеянию света, возбуждаемому при 20C излучением 488 нм аргонового лазера и регистрируемому фотоумножителем в режиме пик становится более выраженным с максимумом при счета фотонов. Использовалась геометрия квазиобратm 570 нм. Интенсивность фиолетовой полосы при ного рассеяния Z(XY )Z, где оси X, Y и Z соответствуэтом существенно снижается. Следующая характерная ют кристаллографическим направлениям (100), (010) стадия отжига — Ta = 1000C. Здесь длинноволновая ФЛ и (001). Выбор геометрии обусловлен необходимостью практически исчезает при продолжающемся ослаблении избавиться от сигнала Si(100) подложки, вызванного фиолетовой. Наконец, после Ta = 1200C появляется двухфононным рассеянием на поперечных акустических весьма слабый желтый пик с m 570 нм. Этим слои фононах в кристаллическом кремнии.

SiO2 : Ge коренным образом отличаются от образцов сравнения SiO2 : Si, где после 1200C наблюдалось форРезультаты экспериментов мирование очень сильной полосы ФЛ с максимумом вблизи 830 нм (см. рис. 1), существенно превосходившей Изменение спектров ФЛ слоев SiO2 : Ge в диапазоне по интенсивности все остальные пики. Именно подобные m = 300 800 нм при последовательном повышении полосы связывались ранее с кремниевыми нанокристалTa от 400 до 1200C показано на рис. 1. Обращает лами [1–6].

на себя внимание следующее. Еще до отжига в слоях На рис. 2 показаны в сравнении спектры возбуждения формируются центры люминесценции, максимум интен- ФЛ в слоях SiO2 : Ge и SiO2 : Si на длинах волн эмиссии сивности которой лежит вблизи 400 нм. Слабая ФЛ про- 400 и 460 нм соответственно. Обращает на себя слеживается и в более длинноволновой области, которая внимание, во-первых, сходство в поведении при отжиге в крупном масштабе дана на врезке рис. 1. Отжиг между системами SiO2 : Ge и SiO2 : Si, а во-вторых, корпротекает в несколько стадий. Вначале (Ta < 600C) реляция между изменениями интенсивности излучения интенсивность ФЛ растет как в области максимума, так (рис. 1) и затратами на его возбуждение (рис. 2). Первая и в длинноволновой части спектра. При Ta = 600Cфио- из особенностей указывает на однотипность процессов летовая полоса с m 400 нм еще продолжает расти, но при отжиге слоев, имплантированных Ge и Si. Вторая интенсивность длинноволнового края слабеет с одновре- свидетельствует в пользу того, что в процессе отжига менным образованием желтого пика. После Ta = 800C идет именно формирование и трансформация центров Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. Формирование центров фотолюминесценции при отжиге слоев SiO2, имплантированных ионами Ge ФЛ, а не появление или исчезновение каких-то конкурирующих (например, безызлучательных) центров рекомбинации. Максимум возбуждения наблюдается после отжигов 400-600C, а уже после 800Cвиден спад, и к 1000-1200C коротковолновые полосы в обеих системах практически не возбуждаются.

О диффузии Ge в SiO2 при нагревах можно судить по данным обратного рассеяния -частиц (рис. 3). Каналы, соответствующие рассеянию от внутренней и наружной границ аморфного слоя SiO2, отмечены на рис. Рис. 4. Комбинационное рассеяние света слоями SiO2 : Ge сразу после имплантации (1) и после отжигов при Ta, C:

2 — 900, 3 — 1000, 4 — 1200.

стрелками, чтобы задать масштаб по глубине. Начальное распределение Ge близко к расчетному (см. врезку на рис. 3). Хотя ФЛ, по данным рис. 1 и 2, до 800C успевает пройти стадии роста и спада, никакого перераспределения Ge при Ta < 1000C не обнаружено. При Ta = 1000C в центральной части слоя SiO2 профиль почти не изменяется, но на границе Si–SiO2 происходит накопление примеси, свидетельствующее о ее заметной диффузии. После отжига при Ta = 1200C явные изРис. 2. Спектры возбуждения фиолетовой ФЛ для Ge и синей менения происходят и в центральной части (рис. 3).

для Si до (1) и после отжигов при Ta, C: 2 — 400, 3 — 600, 4 — 800, 5 — 1000, 6 — 1200. Вблизи абсолютного концентрационного максимума на глубине 200 нм германий накапливается, что говорит о преобладании там устойчивых стоков. Область между пиками обедняется, и они становятся более выраженными.

Заметно обедняется примесью также приповерхностный слой, а уменьшение накопления Ge на границе Si–SiOсопровождается его диффузией в подложку Si.

Исследования комбинационного рассеяния (рис. 4) показали, что вплоть до Ta = 900C характерный для кристаллического Ge пик в районе 300 см-1 не формируется.

Но при повышении Ta до 1000C он возникает, причем его положение практически соответствует объемному материалу. Наряду с появлением выраженного пика 300 см-1 при увеличении Ta от 900 до 1000Cпоявляется плечо в интервале волновых чисел 300–270 см-1, включающее в себя линию 280 см-1 от аморфного германия.

Особенно заметен выступ в области 285 295 см-1.

Низкочастотное плечо существенно ослабляется после Рис. 3. Спектры обратного рассеяния ионов He+ от слоев отжига 1200C, хотя на пределе чувствительности устаSiO2 : Ge до и после отжигов при 800, 1000 и 1200C. На новки слабое рассеяние аморфным Ge в районе 280 см-врезке — расчетное распределение Ge по глубине согласно еще заметно.

TRIM-95.

Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 26 Г.А. Качурин, Л. Реболе, И.Е. Тысченко, В.А. Володин, М. Фёльсков, В. Скорупа, Х. Фрёб Обсуждение результатов должны круто обрываться для размеров частиц выше среднего. Реально же после Ta < 800C многие авторы Из представленных результатов следует, что при отнаблюдали распределения со значительным количеством жиге слоев SiO2 : Ge центры ФЛ образуются уже на крупных преципитатов [8,9,24]. Такое возможно, если ранних стадиях распада пересыщенного твердого распреципитаты формируются путем образования вначале твора задолго до диффузионного перераспределения Ge ветвящихся кластеров с последующим стягиванием их в и без образования нанокристаллов. Поскольку системы более плотные частицы.

SiO2 : Ge и SiO2 : Si во многом подобны и, как показыФормирование нанокристаллов Ge при Ta 1000C вает эксперимент, протекающие в них процессы имеют сопровождалось исчезновением желтой ФЛ и явной ряд общих черт, механизм образования центров ФЛ диффузией атомов Ge к стокам (рис. 1 и 3). Оба здесь, видимо, одинаков. Основываясь на результатах рафакта находят простое объяснение в предположении, что бот [16–21], можно утверждать, что фиолетовая и синяя центры с m 570 нм были предшественниками нанополосы есть результат прямого взаимодействия избыточкристаллов и кристаллизации способствовало оствальных атомов IV группы с образованием связей типа Si–Si, довское созревание. О последнем свидетельствует харакGe–Ge или Ge–Si. Такие связи аналогичны вакансиям O тер перераспределения Ge после высокотемпературных в SiO2, энергии поглощения и излучения которых хороотжигов. Он покидает те области, где его концентрация шо известны. В системе SiO2 : Si это соответственно была ниже и где было меньше шансов образования и 2.7 эВ [18,19], а в SiO2 : Ge — 5 и 3.1эВ [20,21]. Эти устойчивых преципитатов. Зато в максимуме концентраданные соответствуют параметрам наблюдавшихся нами ции германий накапливается (рис. 3). Заметный рост синей и фиолетовой полос (рис. 1 и 2). В отсутствие средних размеров выделений Ge при отжигах отмечался диффузии массового образования подобных ”вакансионв [8,12,24]. Как видно из рис. 3, сравнительно небольшие ных” пар можно ожидать в том случае, когда среднее различия в начальных концентрациях Ge на глубинах расстояние между внедренными атомами станет < 1нм.

200-400 нм существенным образом влияют на судьбу Содержание Ge в SiO2 отвечало у нас этому условию, преципитатов при отжигах. Это хорошо согласуется с поэтому центры фиолетовой ФЛ могли формироваться изложенными выше представлениями о высокой критичеще до отжига. Слабые нагревы способствовали вытеснености зарождения центров ФЛ к начальной концентрации нию Ge из окисла, чем объясняется первоначальный рост германия.

излучения и возбуждения коротковолновой ФЛ (рис. Отсутствие после высокотемпературных отжигов ини 2). Появление и начальный рост слабой длинноволтенсивной ФЛ в SiO2 с образовавшимися нанокристаллановой ФЛ (см. врезку на рис. 1) естественно связать с ми Ge связано, по-видимому, с границей Ge–SiO2. Ранее формированием более сложных выделений Ge. Она не при анализе ФЛ в нанокристаллах Si неоднократно подвызвана радиационными нарушениями в окисле [17]. Почеркивалась важная роль их границы с матрицей [1,4,6].

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.