WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 6 05;06;12 Формирование слоев кубического карбида кремния на кремнии непрерывными и импульсными пучками ионов углерода © Р.М. Баязитов, И.Б. Хайбуллин, Р.И. Баталов, Р.М. Нурутдинов Казанский физико-технический институт им. Е.К. Завойского Казанского научного центра РАН, 420029 Казань, Россия e-mail: bayaz@kfti.knc.ru (Поступило в Редакцию 5 ноября 2002 г.) Исследована структура и инфракрасное поглощение в слоях кубического карбида кремния (-SiC), сформированных путем непрерывной высокодозной имплантации ионов углерода (C+) в кремний (E = 40 keV, D = 5 · 1017 cm-2) с последующей обработкой имплантированных слоев мощным наносекундным импульсным ионным пуском (С+, = 50 ns, E = 300 keV, W = 1.0-1.5J/cm2). Просвечивающая электронная микроскопия и электронная дифракция свидетельствуют о формировании крупнозернистого поликристаллического слоя -SiC с размером зерна до 100 nm. Характерной особенностью сформированных слоев является дендритная поверхностная морфология, что объясняется кристаллизацией из расплава, сильно переохлажденного относительно точки плавления -SiC.

Введение Наносекундная импульсная ионная обработка (ИИО) имеет ряд преимуществ по сравнению с лазерной и электронной. Благодаря равномерному выделению энергии Благодаря широкой запрещенной зоне (Eg = (в области пробега ионов) по глубине [9] синтез тон= 2.3-3.5 eV в зависимости от политипа), высокой копленочных соединений может проводиться с более теплопроводности, а также высокой физической однородным нагревом приповерхностных слоев без пеи химической стойкости карбид кремния (SiC) является регрева и разрушения поверхности [10,11]. Глубокое перспективным материалом для создания высокотемплавление ( 1 µm) в сочетании с высокой скоростью пературных и высокочастотных приборов [1,2]. Одним затвердевания ( 109 K/s) позволяет создавать толстые из наиболее перспективных методов создания слоев сильнолегированные слои с концентрацией имплантироSiC на кремнии, хорошо совместимым с кремниевой ванных примесей, значительно превышающей их равприборной технологией, является метод ионно-лучевого новесную растворимость в кристалле [12]. Кроме тосинтеза — имплантация угларода (C+) в кремний, го, метод обладает высокой производительностью [13] позволяющий с малым уровнем загрязнений создавать и возможностью одновременной имплантации и отжислои SiC на заданной глубине. Для создания сплошных га [14]. В данной работе нами исследована возможность пленок SiC ионная имплантация проводится при повыформирования сплошных слоев -SiC на Si с испольшенной температуре кремниевой подложки ( 500C) зованием высокодозной имплантации ионов C+ с полибо при комнатной температуре с последующим следующей наносекундной обработкой мощным пучком высокотемпературным (> 1100C) и продолжительным ионов C+.

(> 1h) термическим отжигом. При таких обработках формируются эпитаксиальные или поликристаллические слои кубического карбида кремния (-SiC) [3–6]. Однако Эксперимент использование высоких температур имплантации или термического отжига создает дополнительные Непрерывная имплантация ионами C+ проводилась технические сложности и часто бывает нежелательным.

в пластины n-Si (100) с энергией ионов E = 40 keV, Быстрый отжиг имплантированных слоев мощными дозой D = 5 · 1017 cm-2 при плотности ионного тоимпульсными лазерными или корпускулярными пучка- ка j < 6 µA/cm2. После ионной имплантации образцы ми является альтернативой высокотемпературной им- были подвергнуты ИИО. Импульсный ионный ускориплантации / отжигу, поскольку импульсная обработка тель генерировал широкоапертурные (d 4cm) ионные происходит без нагрева базового материала и мо- пучки с длительностью импульса = 50 ns, энергией жет быть локализована на отдельных областях по- ионов E = 300 keV при плотности энергии в импульсе верхности. Ранее было показано, что высокодозная W = 1.0-1.5J/cm2, что соответствует плотности ионно(> 1017 cm-2) и низкоэнергетичная (< 40 keV) имплан- го тока j = 65-100 A/cm2. Ионный пучок в основном тация ионов C+ в Si с последующей обработкой ла- содержал ионы C+ ( 80%) и H+ ( 20%). Общая доза зерными [7] или электронными [8] пучками наносекунд- этих ионов за одни импульс не превышала 1014 cm-2.

ной длительности импульса ( 10-8-10-7 s) приводит Для сравнения методов часть образцов после ионной к формированию эпитаксиальных или поликристалличе- имплантации подверглась лазерному или термическому ских слоев -SiC. отжигу. Импульсный лазерный отжиг (ИЛО) проводился Формирование слоев кубического карбида кремния на кремнии непрерывными... излучением рубинового лазера ( = 0.69 µm) с длительностью импульса = 50 ns и плотностью энергии W = 0.5-2J/cm2. Термический отжиг (ТО) проводился в атмосфере азота при температурах 950-1050C в течение 10-15 min. Структура сформированных слоев была исследована просвечивающей электронной микроскопией (ПЭМ) и электронной дифракцией. Морфология поверхности Si и оптическое поглощение слоев -SiC исследовались методами оптической микроскопии и инфракрасной (ИК) спектроскопии.

Результаты и обсуждение Данные ПЭМ (не показаны) свидетельствуют, что после имплантации Si ионами C+ с дозой 5 · 1017 cm-образуется сплошной слой, состоящий из случайно ориентированных зерен -SiC. Размер зерен составляет около 10 nm, а микродифракционная картина сильно размыта, что свидетельствует о сильной разупорядоченности имплантированного слоя. На рис. 1, a показано изображение, полученное в светлом поле электронного микроскопа, имплантированного Si после ИИО с плотностью энергии в импульсе W = 1.0J/cm2. Видно, что средний размер зерна -SiC составляет около 100 nm.

При этом микродифракционная картина показывает большое число (вплоть до 12) хорошо различимых колец, что свидетельствует о поликристаллической природе сформированного слоя -SiC. Повышение плотности энергии в импульсе до 1.5 J/cm2 приводит к образованию наряду с зернами -SiC больших размеров графитовых зерен размерами около 100 mn, а также к визуально наблюдаемому потемнению образца (рис. 1, b). Присутствие графитовых зерен подтверждается появлением дополнительного кольца в микродифракционной картине.

При воздействии на имплантированный слой лазерными импульсами графитовые зерна образуются практически во всем диапазоне плотностей энергии, начиная с W = 0.5J/cm2, близкой к порогу плавления Si. Термический отжиг имплантированных слоев при 1050C в течение 15 min не показывает каких-либо заметных изменений структуры по сравнению с исходной после имплантации.

Расчетная глубина расплава кремния при ИИО достигает 0.8 µm при плотности энергии в импульсе Рис. 1. Светлопольное ПЭМ изображение имплантированW = 1.0J/cm2 [12], чти превышает ширину профиля ного Si (40 keV, 5 · 1017 C+/cm2) после ИИО (300 keV, 50 ns) с плотностью энергии W = 1.0 (a) и 1.5 J/cm2 (b).

распределения имплантированного углерода ( 0.2 µm при E = 40 keV), вычисленную по программе TRIM [15].

При образовании расплава кремния, содержащего углерод, он сразу находится в переохлажденном относительторая приводит к появлению дендритной поверхностно точки плавления SiC состоянии, поскольку имеется ной морфологии с характерными размерами дендритов значительное резличие точек плавления Si (1700 K) до 500 µm (рис. 2). Аналогичная морфология поверхнои -SiC (2830 K). Очевидно, что энергии излучения сти наблюдалась в [8] при обработке имплантированных недостаточно для полного разрыва связей Si–C и для слоев Si импульсными электронными пучками.

плавления отдельных зерен -SiC, образовавшихся при ионной имплантации. В этом случае велика вероятность ИК поглощение является одним из наиболее иннеориентированной полицентровой кристаллизации, ко- формативных методов исследования формирования SiC.

6 Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 84 Р.М. Баязитов, И.Б. Хайбуллин, Р.И. Баталов, Р.М. Нурутдинов область относительно максимума для монокристаллического SiC (рис. 3, кривая 1). Термический отжиг этих образцов при температуре 1050C в течение 15 min не приводит к заметному изменению спектров. В то же время ИИО имплантированного слоя приводит к сужению полосы поглощения и к смещению ее максимума к частоте 770 cm-1 (рис. 3, кривая 2). Данное обстоятельство свидетельствует о кристаллизации имплантированной структуры. Для устранения остаточных дефектов и механических напряжений, образующихся в результате кристаллизации из расплава во время ИИО, использовался дополнительный термический отжиг при температуре 950C в течение 10 min (рис. 3, кривая 3).

Видно, что происходит дальнейшее сужение полосы поглощения и сдвиг максимума к величине 790 cm-1, близкой к значению поперечной оптической моды -SiC (TO = 794 cm-1). Таким образом, для формирования фазы -SiC наилучшие результаты достигаются при сочетании ИИО с последующим непродолжительным термическим отжигом.

Заключение Воздействие мощными наносекундными импульсными ионными пучками на имплантированный большими доРис. 2. Изображение поверхности имплантированного Si (40 keV, 5 · 1017 C+/cm2) после ИИО (300 keV, 50 ns) с плот- зами углерода кремний приводит к формированию крупностью энергии W = 1.0J/cm2, полученное в оптическом ми- нозернистого поликристаллического слоя -SiC с размекроскопе.

ром зерна около 100 nm. При повышенной плотности энергии импульсов наряду с образованием поликристаллической фазы -SiC образуются зерна графита с размерами до 100 nm. Основным механизмом образования слоев -SiC является жидкофазная неориентированная кристаллизация из переохлажденного относительно точки плавления -SiC расплава. Характерной особенностью этого процесса является образование дендритной морфологии поверхности.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (№ 00-15-96615, 01-02-16649).

Список литературы [1] Иванов П.А., Челноков В.Е. // ФТП. 1995. Т. 29. С. 1921– 1943.

Рис. 3. Спектры ИК поглощения Si после ионной имплан[2] Harris C.I., Savage S., Konstantinov A. et al. // Appl. Surf.

тации (40 keV, 5 · 1017 C+/cm2) (1) после имплантации и Sci. 2001. Vol. 184. P. 393–398.

ИИО (300 keV, 50 ns, 1.0 J/cm2) (2), после имплантации, ИИО [3] Баранова Е.К., Демаков К.Д., Старинин К.В. идр. // ДАН (300 keV, 50 ns, 1.0 J/cm2) и дополнительного термического отСССР. 1971. Т. 200. С. 869–870.

жига (950C, 10 min) (3). Кривые 2 и 3 смещены вертикально [4] Герасименко Н.Н., Кузнецов О.Н., Лежейко Л.В. и др. // для ясности.

Микроэлектроника. 1974. Т. 3. С. 467–468.

[5] Lindner J.K.N. // Nucl. Instr. and Meth. B. 2001. Vol. 178.

P. 44–54 и ссылки в ней.

[6] Liu Z.Q., Liu J.F., Feng J.Y. et al. // Mater. Lett. 2001. Vol. 50.

После ионной имплантации наблюдается широкая поP. 275–278.

лоса поглощения, максимум которой расположен вбли[7] Kantor Z., Foqarassy E., Grob A. et al. // Appl. Phys. Lett.

зи частоты 720 cm-1, смещенной в длинноволновую 1996. Vol. 69. P. 969–971.

Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. Формирование слоев кубического карбида кремния на кремнии непрерывными... [8] Durupt P., Barbier D., Laugier A. // Mater. Res. Soc. Symp.

Proc. Energy Beam-Solid Interaction and Transient Thermal Processing / Ed. J.C.C. Fan, N.M. Johnson. North-Holland, 1984. Vol. 23. P. 747–752.

[9] Hodgson R., Baglin J.E.E., Pal R. et al. // Appl. Phys. Lett.

1980. Vol. 37. P. 187–189.

[10] Chen L.J., Hung L.S., Mayer J.W. et al. // Appl. Phys. Lett.

1982. Vol. 40. P. 595–597.

[11] Bayazitov R., Batalov R.I. // J. Phys. 2001. Vol. 13.

P. L113–L118.

[12] Bayazitov R., Zakirzyanova L., Khaibullin I. et al. // Vacuum.

1992. Vol. 43. P. 619–622.

[13] Isakov I., Kolodii V., Opekunov M. et al. // Vacuum. 1990.

Vol. 42. P. 159–162.

[14] Piekoszewski J., Werner Z., Szymczyk W. // Vacuum. 2001.

Vol. 63. P. 475–481.

[15] Ziegler J.F., Biersack J.P., Littmark U. The Stopping and Range of Ions in Solids. New York: Pergamon Press, 1985.

(http: // www.srim.org).

Журнал технической физики, 2003, том 73, вып.




© 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.