WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 1 Формирование пленок нанокристаллического кремния имплантацией больших доз ионов H+ в слои кремния на изоляторе и последующим быстрым термическим отжигом © И.Е. Тысченко¶, В.П. Попов, А.Б. Талочкин, А.К. Гутаковский, К.С. Журавлев Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия (Получена 12 марта 2003 г. Принята к печати 22 апреля 2003 г.) Изучено формирование пленок нанокристаллического Si в условиях быстрого термического отжига структур кремний-на-изоляторе, имплантированных большими дозами ионов H+. Установлено, что процесс формирования нанокристаллов Si эффективен уже при температурах 300-400C и определяется содержанием водорода в пленке кремния и временем отжига. Сделан вывод о том, что образование зародышей кристаллической фазы происходит в островках кремния, заключенных между микропорами, и обусловлено упорядочением Si-Si-связей в процессе выхода водорода из связанного состояния. При этом в условиях быстрого термического отжига коалесценции микропор не происходит вплоть до температур 900C.

Синтезированные пленки люминесцируют в зелено-оранжевой области спектра при комнатной температуре.

1. Введение основой использованного нами метода является способность водорода, внедренного в кремний в больших Кремний является основным элементом микроконцентрациях (десятки атомных процентов), стимулиэлектроники и, согласно прогнозам, будет сохранять ровать образование микропор и микротрещин [12–15], свое лидирующее положение в ближайшие 40 лет.

чередующихся с участками Si, насыщенного водородом.

Однако в силу непрямозонности кремний оказывается Размер и количество микропор зависят как от конценкрайне неэффективным излучателем света. Это делает трации внедренного водорода, так и от температуры и его непригодным для использования в оптоэлектродлительности последующих термообработок [16]. Это нике. С другой стороны, прогресс в коммуникационозначает, что уменьшение длительности отжигов до ных технологиях предъявляет все большие требования нескольких секунд может привести к формированию к оптоэлектронным компонентам, интегрированным с большой плотности мелких пор, разделенных островкаэлектронными сетями, которые создаются на основе ми кристаллического кремния, т. е. сформировать слои кремния. Открытие фотолюминесценции (ФЛ) пориснанопористого-нанокристаллического материала, к тотого кремния в видимом спектральном диапазоне [1] му же при весьма умеренных температурах. Цель данстало причиной огромного первоначального интереса ной работы заключается в исследовании формироваисследователей к этому материалу. Однако существует ния пленок нанокристаллического Si в слоях кремния, целый ряд проблем, связанных со сложностью практиимплантированных большими дозами ионов водорода ческого применения пористого кремния, обусловленных под действием быстрых термических отжигов. С целью нестабильностью его свойств [2,3]. Это в свою очередь устранения влияния кремниевой подложки на свойства привело к развитию целого ряда альтернативных метонанокристаллических пленок последние формировались дов создания нанокомпозитных материалов на основе не в объемном Si, а в слоях кремния на изоляторе.

кремния, эффективно излучающих свет в видимом спектральном диапазоне, хорошо совместимых с имеющейся кремниевой технологией. К таким методам относятся:

2. Методика экспериментов перекристаллизация аморфного кремния с помощью быстрого термического отжига [4], химическое осаждение Структуры кремний-на-изоляторе (КНИ), созданные из газовой фазы [5], термическое [6] и лазерное [7] испа- на подложках Si ориентации (100), с толщиной отсеченрение, высокочастотное распыление [8], осаждение с по- ного слоя кремния 500 нм и толщиной захороненного мощью дугового разряда [9], ионный синтез в SiO2-матдиоксида кремния 280 нм, были имплантированы ионарице [10,11] и другие. Каждый из этих способов обладает ми H+ с энергией 24 кэВ, дозами 1 · 1017 и 3 · 1017 см-своими преимуществами и своими недостатками. В частиз ионно-плазменного источника. После имплантации ности, в подавляющем большинстве этих методов синтез образцы подвергались быстрому термическому отжигу нанокристаллов требует температур отжига 1000C.

в течение 10 с при температурах Ta = 300-900C на Поэтому развитие новых, в том числе и низкотемперавоздухе. Для сравнения в отдельных случаях проводитурных, методов создания нанокомпозитных материалов лись также отжиги длительностью 1 ч в печи при тех остается весьма перспективной задачей. Физической же температурах в потоке азота. Профили распределе¶ ния водорода в КНИ структурах до и после отжигов E-mail: tys@isp.nsc.ru Fax: (383) 233 27 71 исследовались методом вторичной ионной масс-спектро112 И.Е. Тысченко, В.П. Попов, А.Б. Талочкин, А.К. Гутаковский, К.С. Журавлев метрии (ВИМС). Распыление проводилось ионами O+ с энергией 10 кэВ. Исследования структуры слоев проводились методами спектроскопии комбинационного рассеяния света (КРС) и высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопии (HRTEM). Спектры КРС измерялись в геометрии обратного рассеяния с использованием спектрометра DFS-52. Возбуждение спектров осуществлялось излучением Ar-лазера с длиной волны 488 нм. В экспериментах были использованы две геометрии образца: x(y + z, y + z )x (разрешенная гео метрия) и x(y, y)x (запрещенная геометрия), где x, y и z соответствуют ориентациям (100), (010), (001). Использование запрещенной геометрии позволяло существенно понизить интенсивность линии 520 см-1, соответствующей рассеянию на оптических фононах Si-подложки. Все измерения методом КРС осуществлялись при комнатной температуре. HRTEM-исследования проводились на микроскопе JEM-4000EX с разрешением 0.2 нм при ускоряющем напряжении 250 кВ. Фотолюминесцения (ФЛ) в интервале длин волн em = 340-850 нм возбуждалась излучением N2-лазера с длиной волны ex = 337 нм и мощностью 10 мВт при комнатной температуре.

3. Результаты и обсуждение Рис. 1. Профили концентрации атомов H, полученные метоНа рис. 1 представлены профили концентрации имдом ВИМС, в КНИ структурах, имплантированных ионами H+ плантированного H+ в КНИ структурах до и после с энергией 24 кэВ, дозой 3 · 1017 см-2, до (1) и после отжига быстрого термического отжига. Видно, что после имв течение 10 с при Ta = 400 (2), 500 (3), 600 (4), 700 (5) плантации практически весь водород однородно раси 800C (6). На вставке — зависимость интегральной конпределен в слое толщиной 0.3 мкм. Последующий центрации водорода от температуры отжига при длительности отжиг в течение 10 с при температурах Ta = 300-500C отжига 1 ч (1) и 10 с (2).

не приводил к перераспределению водорода в слое Si.

Дальнейшее повышение Ta сопровождалось как изменением формы профиля распределения водорода, так и ле быстрого термического отжига при температурах снижением его интегральной концентрации. Увеличение Ta = 300-700C. Сразу после имплантации в спекттемпературы отжига в области Ta > 500C приводило рах КРС наблюдались два пика (спектр 1). Широкий пик к накоплению водорода в приповерхностной области, с максимумом вблизи 480 см-1 совпадает со спектром а на глубине 50 нм наблюдался концентрационный аморфного Si. Второй пик на частоте 520 см-1 свяпровал. На вставке к рис. 1 представлена зависимость зан с рассеянием на оптических фононах Si-матрицы.

интегральной концентрации водорода в кремнии как В процессе отжига наблюдается сначала уменьшение функции температуры последующего отжига. Здесь же полуширины аморфного пика (Ta = 300C—спектр 2), для сравнения приведены соответствующие данные для а затем, с ростом Ta, постепенное затухание его интенслучая термического отжига длительностью 1 ч в обычсивности. При этом никакого смещения в положении ной печи, полученные путем интегрирования профилей, максимума пика замечено не было, и это может быть представленных в работе [17]. Анализ этих зависимостей дополнительным свидетельством того, что пик 480 см-показывает, что в случае быстрого термического отжига интегральная концентрация водорода в слое крем- соответствует уширенному спектру плотности фононных состояний в аморфном кремнии. Во всем интервания при соответствующих температурах приблизительно ле Ta интенсивность пика 520 см-1 увеличивалась лишь в 20 раз выше, чем в случае обычного отжига. Это соответствует отношению корневых функций времени незначительно. Одновременно по мере нагрева рядом печного и быстрого термического отжигов, используе- с пиком Si появляется линия, отмеченная на рис. мых в наших экспериментах. стрелкой. Эту линию мы связываем с кремниевыми наНа рис. 2 представлены спектры КРС, полученные нокристаллами, образовавшимися в аморфной матрице.

в разрешенной геометрии от КНИ структур, имплан- Смещение частоты линии относительно частоты оптитированных ионами H+ дозой 3 · 1017 см-2, до и пос- ческого фонона в объемном Si (520 см-1) обусловлено Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Формирование пленок нанокристаллического кремния имплантацией больших доз ионов H+... происходит одновременно с ростом интенсивности фононной линии нанокристаллов Si и падением интенсивности пика, связанного с оптическими фононами в аморфном слое Si. Эти эффекты соответствуют росту размеров нанокристаллов Si в процессе кристаллизации аморфной фазы. Наличие интенсивной линии кластеров Si в запрещенной геометрии свидетельствует об их полной разориентации относительно Si-подложки.

Рис. 2. Спектры КРС, измеренные в разрешенной геометрии от КНИ структур, имплантированных ионами H+ с энергией 24 кэВ дозой 3 · 1017 см-2 до (1) и после отжига в течение 10 с при Ta = 300 (2), 400 (3), 600 (4), 700C (5).

размерными эффектами в нанокристаллах Si. На рис. представлены спектры КРС КНИ структур после отжига при разных температурах, полученные в запрещенной геометрии рассеяния. Интенсивность фононной линии Si-подложки (520 см-1) в этой геометрии существенно подавлена, что позволяет более детально исследовать поведение пика, связанного с нанокристаллами Si. С ростом температуры отжига наблюдался высокочастотный сдвиг максимума этого пика от 514 см-1 после отРис. 3. Спектры КРС, измеренные в запрещенной геометрии жига при Ta = 300-400C к 517 см-1 после отжига от КНИ структур, имплантированных ионами H+ с энерпри Ta = 600C и затем к 518 см-1 после отжига при гией 24 кэВ дозой 3 · 1017 см-2, до (1) и после отжига в Ta = 700C. Как видно из рис. 2 и 3, это смещение течение 10 с при Ta = 400 (2), 600 (3), 700 (4), 800C (5).

8 Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 114 И.Е. Тысченко, В.П. Попов, А.Б. Талочкин, А.К. Гутаковский, К.С. Журавлев неотожженных образцах. Увеличение Ta выше 600C сопровождалось соответствующим снижением интенсивности ФЛ. Отжиг при всех Ta приводил лишь к изменению интенсивности ФЛ. Никаких заметных сдвигов в энергетическом положении полосы ФЛ не происходило.

Для того чтобы понять механизм формирования нанокристаллов кремния в условиях быстрого термического отжига, рассмотрим более детально процессы структурных переходов в слоях кремния, имплантированных большими дозами ионов H+. Имплантация ионов H+ в кремний в очень больших концентрациях (десятки ат %) сопровождается формированием микропустот, между которыми заключены участки кремния с высоким содержанием водорода. При этом водород, Рис. 4. HRTEM-изображение пленок, полученных импланнасыщая оборванные связи, находится в связанном сотацией КНИ структур ионами H+ с энергией 24 кэВ дозой стоянии. Свойства микропустот определяются в первую 3 · 1017 см-2 и отжигом при Ta = 900C в течение 10 с.

очередь концентрацией внедренного водорода. Точный механизм образования микропустот до сих пор остается не выясненным. Под действием последующих термиНикаких пиков, связанных с нанокристаллами, не было ческих воздействий микропустоты могут коалесцирозамечено в образцах, имплантированных ионами водоровать. Процесс коалесценции микропор зависит как от да дозой 1 · 1017 см-2.

температуры, так и от длительности термических возHRTEM-исследования также показали, что быстрые термические отжиги при Ta 400C приводят к формированию нанокристаллов Si, погруженных в аморфную матрицу. С ростом температуры отжига в интервале Ta = 400-700C средние размеры нанокристаллов увеличивались от 4.6 до 7.4 нм. Дальнейшее увеличение Ta до 900C не приводило к существенным изменениям размеров нанокристаллов Si. Плотность нанокристаллов оставалась практически неизменной во всем исследованном диапазоне Ta и составляла 1012 см-2. На рис. 4 представлено HRTEM-изображение нанокристаллов, сформированных в результате отжига при 900C.

Расчет межплоскостных расстояний в наблюдаемых нанокристаллах дает величину 0.314 нм. Это соответствует расстоянию между плоскостями (111) в алмазоподобной решетке объемного Si. На рис. 5 показано распределение нанокристаллов по размерам после отжигов при Ta = 400, 700 и 900C. Эти распределения могут быть описаны функцией Гаусса с полной шириной на полувысоте, равной 1.2 и 2 нм для температуры отжига 400 и 700-900C соответственно.

Спектры ФЛ, зарегистрированные при комнатной температуре от образцов, имплантированных большой дозой ионов водорода, представлены на рис. 6. Никакой ФЛ в видимом спектральном диапазоне не было зарегистрировано от неимплантированных образцов. Сразу после имплантации в спектре ФЛ формировалась слабая широкая полоса в диапазоне длин волн излучения от до 600 нм. С увеличением температуры быстрого термического отжига интенсивность этой полосы ФЛ Рис. 5. Распределения нанокристаллов по размерам, полуросла и достигала своего максимума после Ta = 600C ченные из статистической обработки данных HRTEM для (см. вставку к рис. 6). При этой температуре полная КНИ структур, имплантированных ионами H+ с энергиширина полосы ФЛ на полувысоте составляла 1эВ, ей 24 кэВ дозой 3 · 1017 см-2 после отжига при Ta = 400 (a), а интенсивность ФЛ была в 3.5 раза выше, чем в 700 (b) и 900C (c) в течение 10 с.

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.