WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 1998, том 68, № 2 04;06,11;12 Исследование ионной бомбардировки пленок аморфного кремния в процессе плазмохимического осаждения в высокочастотном разряде © А.С. Абрамов1, А.Я. Виноградов1, А.И. Косарев1, А.С. Смирнов2, К.Е. Орлов2, М.В. Шутов1 1 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, 194021 Санкт-Петербург, Россия 2 Санкт-Петербургский государственный технический университет, Санкт-Петербург, Россия (Поступило в Редакцию 9 октября 1996 г.) Исследованы характеристики ионного и электронного потоков на поверхность растущей пленки кремния в различных режимах высокочастотного разряда в силане при частотах 13.56 и 58 MHz в установке для плазмохимического осаждения пленок. Измерены энергетические спектры ионов и электронов, бомбардирующих растущую пленку. Исследованы электронные свойства пленок, выращенных при различной ионной бомбардировке. Обсуждается корреляция этих свойств с параметрами ионов в плазме высокочастотного разряда в процессе роста пленок.

Введение В данной работе приводятся результаты измерения энергетических спектров ионов и электронов в техноМеханизм роста, структура и свойства пленок, вы- логической установке для плазмохимического осаждения на частотах 13.56 и 58 MHz в различных режиращиваемых методом плазмохимического газофазного мах, использовавшихся для нанесения слоев аморфного осаждения, определяются температурным режимом и гидрированного кремния. В работе также приводятся параметрами плазмы газового разряда. Важную роль в результаты исследования электронных свойств пленок процессе роста пленок играют состав и свойства частиц аморфного кремния, выращенных при различной ионной газовой фазы, а также бомбардировка поверхности пленбомбардировке, и обсуждается корреляция этих свойств ки ионами и электронами. Влияние ионной бомбардировс характеристиками ионов.

ки на рост и свойства пленок аморфного гидрированного кремния наблюдалось, например, в работах [1–4]. Было обнаружено, что приложение к подложке постоянного Экспериментальная установка отрицательного смещения 25 < Ub < 75 V уменьшало и методики концентрацию дефектов в пленках кремния [2]. Этот факт связывали с увеличением энергии ионов, бомбардиРеактор, использованный в работе, схематически порующих растущую пленку. Однако в этой работе количеказан на рис. 1. Для измерения характеристик ионов ственные данные об энергии и потоке ионов отсутствуют, и электронов в ВЧ разряде использовался плоский неизвестно также, какая доля приложенного смещения четырехсеточный энергоанализатор с задерживающим идет на ускорение ионов бомбардирующих пленку. Наполем. Анализатор размещался рядом с подложкой на блюдавшиеся в работах [5–7] увеличение скорости роста заземленном электроде. Высокочастотный электрод диапленок и улучшение их качества с ростом частоты прилометром 220 mm располагался на расстоянии 25 mm от женного поля также, по-видимому, связаны с изменением заземленного электрода размером 230 230 mm, ценпараметров ионной бомбардировки [8], однако прямых тральную часть (75 mm) которого занимали подложэкспериментальных подтверждений этого нет.

ки. Устройство энергоанализатора и нюансы методики Информация о характеристиках электронного и ионпроведения измерений описаны ранее в [9,10]. Входного потоков на подложку в ВЧ разряде, используемом ное отверстие энергоанализатора имело диаметр 5 mm.

для роста пленок кремния, и их влиянии на свойства Все детали энергоанализатора, за исключением корпуса пленок содержится в работе [4], но только для разряда из нержавеющей стали, изготовлены из никеля. Сетна частоте 13.56 MHz.

ки имели ячейки размером 140 140 µm и прозрачСравнение результатов различных работ затрудняется ность 80%. Первая сетка анализатора заземлялась. При тем обстоятельством, что ионные потоки, так же как и измерениях параметров ионов потенциал второй сетсвойства пленок, сложным образом зависят от внешних ки, задерживающий электроны, поддерживался равным параметров установок, таких как геометрия реактора, U2 = -100 V, потенциал третьей сетки изменялся в превкладываемая в разряд мощность, используемых газовых делах U3 = 0-+300 V для анализа ионов по энергиям, смесей, внешних параметров разряда (давления, расхода потенциал четвертой сетки устанавливался достаточным и др.). для запирания тока вторичных электронов с коллектора Исследование ионной бомбардировки пленок аморфного кремния в процессе плазмохимического... сохранится, а энергия ионов, бомбардирующих заземленный электрод, увеличится на напряжение автосмещения.

Подавая различные напряжения на ВЧ электрод, можно плавно увеличивать энергию ионов по сравнению с режимом ХХ. Уменьшение энергии ионов или изменение их потока возможно только при изменении параметров положительного столба плазмы.

Измерения проводились для разрядов в аргоне, водороде и силане при двух частотах f = 13.56 и 58 MHz.

Режимы горения разряда в силане выбирались такими же, как и при нанесении пленок: температура подложки Ts = 250C, поток силана Q = 28 sccm, давление P = 0.17 Torr для f = 13.56 MHz и P = 0.056 Torr для f = 58 MHz. ВЧ мощность W изменялась от до 30 W. Основное внимание было уделено измерению ионных и электронных характеристик в зависимости от ВЧ мощности и напряжения приложенного к ВЧ электроду.

Рис. 1. Схема экспериментального реактора. 1 — ВЧ элекПленки аморфного гидрированного кремния напылятрод, 2 — газ, 3 — заземленный электрод, 4 — подложлись на кремниевые, кварцевые и ситалловые подложки ка, 5 — нагреватель, 6 — энергоанализатор, 7 — откачка, 8 —плазма.

U4 = -18 V [11], коллектор имел нулевой потенциал Uk = 0. При измерении параметров электронов на сетки подавались следующие потенциалы: U2 =+300 V, U3 = 0--100 V, U4 = 0, Uk =+18 V. Время сканирования по энергиям составляло около 5 s.

Измерения характеристик ионов и электронов проводились в следующих режимах: 1) режим короткого замыкания (КЗ), когда ВЧ электрод замкнут на землю по постоянному току, 2) режим холостого хода (ХХ), когда ВЧ электрод изолирован от земли, 3) режим, когда на ВЧ электрод подается постоянное смещение.

Разница между этими режимами [12–14] иллюстрируется рис. 2, на котором показано положение границы плазма–слой в несимметричном разряде. В режиме ХХ постоянный ток между электродами отсутствует, поэтому потоки электронов и ионов на каждый электрод должны быть равны. Электронный ток на электрод течет, только когда плазма соприкасается с электродом, поэтому в режиме ХХ граница плазма–слой должна касаться электрода. Так как площадь заземленного электрода больше, то плотность тока у него и соответственно толщина слоя меньше. В результате постоянный перепад потенциала между заземленным электродом и плазмой меньше, чем между плазмой и ВЧ электродом. Таким образом, возникает напряжение автосмещения Usb. В режиме КЗ постоянные потенциалы электродов равны, поэтому должны быть равны и перепады потенциала в слоях. В результате граница плазмы не доходит до заземленного электрода и на него течет только ионный ток. Если толщины слоев и выделяемая в них мощность малы, то переход от ХХ к КЗ не должен существенно изменять параметры положительного столба и слоя у Рис. 2. Схема ВЧ разряда с разными площадями электродов ВЧ электрода. В этом случае поток ионов на электроды в режимах ХХ (a) и КЗ (b). 1 —плазма, 2 — ВЧ электрод.

Журнал технической физики, 1998, том 68, № 54 А.С. Абрамов, А.Я. Виноградов, А.И. Косарев, А.С. Смирнов, К.Е. Орлов, М.В. Шутов в одной загрузке. Конфигурация электродов в виде полос с промежутком между ними 2 mm позволяла провести измерения электропроводности, фотопроводимости и диффузионной длины носителей методом динамической интерференционной решетки [15]. Для характеристики электронных свойств пленок использовались следующие методики: 1) измерения температурной зависимости удельной электропроводности (T ); 2) измерения оптического поглощения, обусловленного переходами из локализованных состояний в щели подвижности в зону проводимости, методом постоянного фототока (МПФ);

3) измерения диффузионных длин электронов Le идырок Lh методом динамической интерференционной решетки; 4) оптические измерения, в том числе лазерная интерферометрия в процессе роста пленки, измерения спектров Рамановского рассеяния, инфракрасная (ИК) спектроскопия.

Из обработки результатов измерений температурной зависимости электропроводности были получены удельная электропроводность при комнатной температуре rt;

предэкспоненциальный коэффициент 0; энергия активации электропроводности Ea = (Ec - Ef )|T =0, где Ec — край зоны проводимости, Ef — положение уровня Ферми; коэффициент температурного сдвига уровня Ферми. Из измерений оптического поглощения методом МПФ были вычислены [16] величины плотности дефектных состояний в запрещенной зоне Nd, характеристической энергии экспоненциального спада Рис. 3. Зависимости тока коллектора Ii от задерживающеплотности состояний вблизи валентной зоны Evt; энергии го напряжения U в режимах КЗ (a) и ХХ (b). 1 — Ar, Урбаха EU; положения пика дефектных состояний Ed.

f = 13.56 MHz, P = 0.12 Torr, W = 14 W, 2 — SiH4, f = 58 MHz, P = 0.056 Torr, W = 17 W, 3 —H2, f =58 MHz, P = 0.36 Torr, W = 10 W.

Параметры плазмы и потоки заряженных частиц на подложку На рис. 3 приведены кривые задержки ионов, т. е.

зависимости ионного тока коллектора энергоанализатора от напряжения на третьей сетке U для разрядов в аргоне, водороде и силане, полученные в режиме ХХ и КЗ при близких значениях вкладываемой мощности.

Видно, что переход к режиму КЗ приводит к увеличению максимальной энергии ионов. В разряде в аргоне переход к режиму КЗ приводит к значительному уменьшению потока ионов, в то время как в силане и водороде поток ионов практически не меняется.

На рис. 4 показаны полученные дифференцированием кривых задержки (рис. 3) функции распределения по энергиям (ФРЭ) ионов для разряда в силане на двух частотах в режимах КЗ и ХХ. При сравнении этих кривых следует учесть, что разряд на частоте 13.56 MHz горел при большем давлении, чем на 58 MHz. В разряде на частоте 58 MHz большинство ионов имеет энергию, близкую к максимальной. Это свидетельствует о том, что ионы рождаются в положительном столбе и ускоряются Рис. 4. Функция распределения ионов по энергиям для полным напряжением в слое почти без потерь при разрядки в силане. W = 15 W. 1 — f = 13.56 MHz, режим ХХ;

столкновениях. Небольшое количество столкновений в 2 — f = 13.56 MHz, режим КЗ; 3 — f = 58 MHz, режим ХХ;

слое приводит к уширению спектра ионов в сторону 4 — f = 58 MHz, режим КЗ.

Журнал технической физики, 1998, том 68, № Исследование ионной бомбардировки пленок аморфного кремния в процессе плазмохимического... от суммарной мощности для разряда в аргоне и силане на различных частотах приведена на рис. 5. Здесь же приведена расчетная зависимость Wi(W ), полученная на основании предположения о постоянстве концентрации ионов в слое [11]. Из рисунка видно, что для силана экспериментальные значения Wi по порядку величины близки к расчетным. В силане Wi составляет малую долю суммарной мощности, в то время как в аргоне на частоте 13.56 MHz она близка к W. Поскольку при переходе к КЗ мощность, вкладываемая в ионы, увеличивается на величину порядка ее самой, так как к ней добавляются потери в слое у заземленного электрода, режим разряда в аргоне должен существенно меняться. Это подтверждается тем фактом, что в аргоне при переходе к КЗ поток ионов на заземленный электрод увеличивается (рис. 3).

Из расчета также следует, что режимы разряда в трех случаях, приведенных на рис. 5, различны. В силане на частоте 13.56 MHz из-за большой доли потерь энергии электронов на возбуждение колебательных уровней молекул длина энергетической релаксации меньше размеров слоя. В этом режиме наблюдается -разряд, в котором ионизация определяется локальным значением электрического поля и происходит в слое [17]. На частоте 58 MHz из-за уменьшения давления и толщины слоя становится меньше L. В этом случае нагрев электронов и ионизация определяется электрическим полем в слое, хотя и происходит в объеме плазмы [11]. В аргоне же при расчете ионизации необходимо учитывать стохастический нагрев при столкновениях электронов с движущейся границей плазма–слой [18].

На рис. 6 представлены в полулогарифмическом масштабе кривые задержки электронов. Видно, что в первом Рис. 5. Зависимость мощности, вкладываемой в ионы Wi, от суммарной мощности W, вкладываемой в разряд. Аргон (a) и силан на частотах: f = 13.56 (b), f = 58 MHz (c). Точки — экспериментальные данные, штриховые кривые — расчетные данные, сплошные — W = Wi.

малых энергий. При переходе к частоте 13.56 MHz увеличивается толщина слоя и одновременно растет число ион-атомных столкновений из-за роста давления. В результате большинство ионов испытывают столкновения в слое и набирают энергию только на последней длине свободного пробега. Поэтому спектр ионов получается широким с максимумом при средних энергиях.

Если предположить, что параметры слоя у ВЧ электрода и положительного столба не меняются при переходе к режиму КЗ, что, по-видимому, верно для разряда в силане и водороде, можно оценить мощность, вкладываемую в ионы в приэлектродных слоях Wi. Действительно, ионный ток в слое равен току короткого замыкания, а постоянное падение напряжения — максимальной энергии ионов в режиме КЗ. Тогда Wi = Isc(Ei max/e), где Ei max — максимальная энергия ионов, e — заряд электрона.

Рис. 6. Кривые задержки электронов для разряда в силане.

Оцененная таким образом величина Wi в зависимости f = 13.56 MHz, P = 0.17 Torr; W, W: 1 —8, 2 — 13, 3 — 24.

Журнал технической физики, 1998, том 68, № 56 А.С. Абрамов, А.Я. Виноградов, А.И. Косарев, А.С. Смирнов, К.Е. Орлов, М.В. Шутов Зависимость Te от вкладываемой мощности приведены на рис. 7. При f = 13.56 MHz Te 3.25 ± 1.0eV, при f = 58 MHz Te 2.5 ± 0.5eV.

В качестве характеристики ионной бомбардировки были выбраны максимальная энергия иона Ei max и полный ионный ток Ii max. На рис. 8 приведены Ei max и Ii max в зависимости от ВЧ мощности при частоте 13.56 MHz.

Легко увидеть, что Ei max в обоих режимах растет с увеличением ВЧ мощности, причем и разность Ei max в режимах КЗ и ХХ растет с увеличением ВЧ мощности.

При малых уровнях ВЧ мощности Ei max одинакова для обоих режимов, при больших же мощностях разница в Ei max становится существенной. Это можно объяснить тем, что при малой ВЧ мощности разряд не выходит за пределы заземленного электрода, и мы таким образом имеем ситуацию, когда площади электродов равны и нет разницы между режимами КЗ и ХХ. В режиме КЗ Ii max также растет с мощностью быстрее, чем в режиме ХХ.

Рис. 7. Зависимость электронной температуры Te от ВЧ Графики Ei max и Ii max в зависимости от ВЧ мощности мощности. f, MHz: 1 — 13.56, 2 — 58.

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.