Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 6 Фотолюминесценции слоев SiO2, имплантированных ионами Si+ и отожженных в импульсном режиме й Г.А. Качурин, И.Е. Тысченко, В. Скорупа, Р.А. Янков, К.С. Журавлев, Н.А. Паздников, В.А. Володин, А.К. Гутаковский, А.Ф. Лейер Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия Исследовательский центр Россендорф, Дрезден, Германия (Получена 25 мая 1996 г. Принята к печати 25 октября 1996 г.) В термически выращенные на Si слои SiO2 имплантированы ионы Si+ дозой 1017 см-2 с энергиями 100 и 200 кэВ. Использовались два вида импульсных отжигов: при 900 1200C в течение 1 с и при 1050 1350C в течение 20 мс. После имплантации наблюдалась фотолюминесценция в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. На начальных этапах отжига интенсивность фотолюминесценции падала, однако после отжига при 1200C, 1 c или при 1350C, 20 мс она резко возрастала в десятки раз. Согласно данным комбинационного рассеяния и высокоразрешающей электронной микроскопии, этому соответствовало формирование в SiO2 нанокристаллов Si. Используемые длительности отжигов исключали диффузионно-контролируемый рост нанокристаллов Si, но их формирование могло происходить за счет твердофазной кристаллизации аморфных включений. Корреляция между резким усилением люминесценции и формированием нанокристаллов Si свидетельствует в пользу квантово-размерного механизма ее возникновения.

Кремний Ч основной материал микроэлектроники и по интенсивности, временам релаксации, условиям настоящего и обозримого будущего Ч в оптоэлектро- возбуждения. Все это говорит о том, что в кремниевых нике используется ограниченно. Причина заключается в наноструктурах природа центров и механизмы видимой низкой вероятности излучательной рекомбинации из-за люминесценции могут быть различными. Для их устанесовпадения абсолютных экстремумов зонной структу- новления необходимо выявить связи между атомарными ры в k-пространстве. Обнаружение интенсивной видимой процессами в исследуемых слоях и параметрами излучелюминесценции в пористом Si, объяснявшейся квантово- ния. Импульсные отжиги позволяют с большей опредеразмерными эффектами в кремниевых нанокристаллах, ленностью контролировать такие процессы, поэтому они открывало путь для возможной интеграции электриче- были применены в данной работе для достижения лучских и оптических кремниевых приборов в схемы с шего понимания причин возникновения люминесценции оптической обработкой информации. Практический и в кремниевых наноструктурах.

научный интерес к нанокристаллам Si породил большой поток исследований, направленных как на разработку меМетодика экспериментов тодов формирования нанокристаллов, так и на изучение их свойств. Видимая фотолюминесценция наблюдалась в Слои SiO2 толщиной 500 нм были выращены термиобразцах полученных окислением микрокристаллическочески на Si (100). В слои были имплантированы ионы го или аморфного Si [1Ц3], частичной кристаллизацией Si+ с двумя энергиями Ч 200 кэВ, дозой 1 1017 см-аморфного Si [4], преципитацией избыточного кремния и затем 100 кэВ, дозой 6 1016 см-2 при температурах в окислах [5Ц7], напылением слоев Si в различных сремишени от -60 до -20C. Этообеспечивалона глубинах дах [8], электроискровой обработкой [9]. Особые усилия 100 300 нм результирующую концентрацию избыточбыли сосредоточены на получении нанокристаллов Si с ного Si около 7 1021 см-3. Использовались также конпомощью ионной имплантации как наиболее чистого и трольные образцы, где при тех же энергиях дозы были контролируемого метода [10Ц15].

уменьшены в 2.5 и 10 раз. Были применены два типа имНесмотря на столь большой объем работ, природа пульсных отжигов: длительностью 1 с при температурах появления видимой люминесценции остается не впол9001200C в атмосфере Ar и длительностью 20 мс при не ясной даже для давно изучаемого пористого кремтемпературах 1050 1350C (постоянная составляющая ния [16]. Наряду с трактовкой в рамках квантоворазмерных ограничений выдвигаются объяснения, опи- 600C) в атмосфере N2. После обработки образцы рающиеся на возможное образование химических соеди- выдерживались 30 мин в форминг-газе при 400C.

нений, структурных несовершенств, межфазных границ Фотолюминесценция при 300 и 78 K возбуждалась и пр. [16]. Трудности в интерпретации связаны с излучением Ar-лазера с длиной волны = 488 нм тем, что у разных авторов в зависимости от условий мощностью около 20 мВт и регистрировалась охлаждаэксперимента пики люминесценции появлялись в самых емым фотоэлектронным умножителем в режиме счета разных участка спектра от ультрафиолетовой области фотонов. Проводимые в работе спектры нормированы до инфракрасной (ИК). Отличались они друг от друга на чувствительность аппаратуры. Комбинационное расФотолюминесценции слоев SiO2, имплантированных ионами Si+ и отожженных в импульсном режиме сеяние при 300 K изучалось с применением квазиобратной геометрии регистрации, с использованием линии = 488 нм Ar-лазера, двойного спектрометра и охлаждаемого приемника в режиме счета фотонов. Электронномикроскопические исследования были проведены с помощью высокоразрешающего микроскопа JEM-4000 EX.

Для выхода на интересующую нас глубину верхние 100 нм SiO2 удалялись в растворе HF : H2O = 1: 8, а затем на образцах с тыльной стороны осуществлялось химическое струйное травление.

Результаты экспериментов В необлученных пленках SiO2 фотолюминесценции в интервале длин волн = 550 1000 нм замечено не было. После имплантации ионов Si+ уже до импульсных отжигов во всем исследованном интервале при комнатной температуре появлялась люминесценция (рис. 1).

Слабо выраженные максимумы наблюдались вблизи и 850 нм. Доотжиговая люминесценция исчезала почти полностью при снижении дозы ионов Si+ на порядок (рис. 1). Импульсные отжиги до определенных температур приводили к ослаблению фотолюминесценции на всех длинах волн (рис. 1 и 2). Эти пороговые темпеРис. 2. Фотолюминесценция при комнатной (2, 4, 5) и азотной (1, 3) температурах образцов после отжигов длительно стью 1 с. Температура отжига, C: 3, 4 Ч 900; 5 Ч 1050;

1, 2 Ч 1200.

ратуры составляли 1200 и 1050C для длительностей отжига 20 мс и 1 с соответственно. Их превышение всего на 150C приводило к чрезвычайно резкому возрастанию интенсивности люминесценции (рис. 1 и 2). Доминировал максимум в области 830 850 нм. Более коротковолновое видимое излучение сохранялось, однако его интенсивность продолжала снижаться с ростом температуры отжига и после преодоления указанного выше порога.

На рис. 2 в дополнение к спектрам люминесценции при комнатной температуре приведены спектры, снятые при 78 K. Охлаждение образцов усиливает свечение еще в несколько раз во всем исследованном спектральном интервале. Видимое на рис. 2 дополнительное возрастание интенсивности люминесценции в области 600 нм связано, вероятно, с рассеянием в криостате возбуждающего лазерного излучения.

Данные по комбинационному рассеянию представлены на рис. 3. Сильный пик 520 см-1 соответствует рассеянию на длинноволновых продольных оптических фононах в монокристаллическом кремнии и обусловлен подложкой. В неимплантированных слоях SiO2 кроме пика 520 см-1 была видна только полоса 430 см-1, обРис. 1. Фотолюминесценция при комнатной температуре условленная связями SiЦO. После имплантации ионов образцов до (2, 5) и после (1, 3, 4) импульсных отжигов. Время Si+ появлялось четко выраженное рассеяние вблизи отжига 20 мс, температура отжига, C: 3 Ч 1050, 4 Ч 1200, 480 см-1, соответствующее связям SiЦSi в аморфном 1 Ч 1350. 5 Ч доза имплантации ионов Si+ снижена на кремнии (рис. 3, кривая 3). В контрольном образце, порядок.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 732 Г.А. Качурин, И.Е. Тысченко, В. Скорупа, Р.А. Янков, К.С. Журавлев, Н.А. Паздников, В.А. Володин...

рами 2 6 нм. Межплоскостные расстояния кристаллов в большинстве случаев близки к 0.314 нм Ч расстоянию между плоскостями {111} в Si. По площади кристаллиты занимают около 30% поля наблюдения, хотя имеются участки, где их меньше. Микроскопия поперечного среза дает примерно такие же результаты, из чего можно заключить, что нанокристаллы имеют сопоставимые размеры во всех направлениях. Даже после импульсного отжига при самой высокой из использованных температур в нанокристаллах видны структурные нарушения. Если кристаллизации не было, то микроскопия выявляла только отличающиеся по контрасту от аморфной матрицы более темные области с размером 2 10 нм. При этом дифракционная картина была типичной для аморфного вещества.

Обсуждение результатов Кратко наиболее важные экспериментальные результаты можно сформулировать следующим образом. При достижении определенной дозы имплантации ионов Si+ в SiO2 уже до импульсных отжигов возникает фотолюминесценция в видимой и инфракрасной областях спектра с двумя слабо выраженными пиками. С ростом температуры последующих импульсных отжигов интенсивность люминесценции вначале постепенно снижается, но затем в узком температурном интервале резко возрастает, приобретая выраженный максимум вблизи 830 850 нм.

Мы полагаем, что люминесценция до импульсных отжигов связана с формированием областей с избытком Рис. 3. Спектры комбинационного рассеяния от образцов:

1 Ч неимплантированный слой SiO2, 2 Ч доза имплантации Si вплоть до включений аморфного кремния. Из наших 40% от полной дозы Si+, 3 Ч имплантация полной дозы Si+, результатов следует, что для ее появления скорее нужны 4 Ч после отжига при 1200C в течение 1 с, 5 Ч после отжига высокие концентрации избыточного Si, чем дефектов при 1350C в течение 20 мс.

SiO2. Снижение дозы ионов Si+ на порядок приводило к почти полному исчезновению люминесценции (рис. 1), однако даже таких уменьшенных доз достаточно для многократного смещения каждого атома в исследуемом где доза имплантации была снижена в 2.5 раза, такого слое. Кроме того, появление люминесценции корревыраженного пика нет, но заметно дополнительное раслирует с формированием в спектрах комбинационного сеяние в интервале 450 490 см-1 (рис. 3, кривая 2).

рассеяния полосы 480 см-1, характерной для аморфного Импульсные отжиги в режимах 1200C, 1 c и 1350C, кремния (рис. 3). Эта полоса практически исчезает при 20 мс приводили к ослаблению рассеяния в области относительно небольшом снижении дозы (рис. 3). Нако480 см-1 и к одновременному появлению полосы вблизи нец, доотжиговую люминесценцию в SiO2, подвергнутом 500 520 см-1, что могло быть вызвано формированием имплантации больших доз Si+, отмечали и ранее [13,14].

нанокристаллов кремния.

В частности, в работе [11] указывалось, что замена На рис. 4 приведено электронно-микроскопическое ионов Si+ на Ar+, B+ или Al+ ведет к исчезновению высокого разрешения изображение участка образца полюминесценции в SiO2.

сле отжига при 1350C, в течение 20 см и микродиРезкое возрастание интесивности фотолюминесценции фракционная картина того же участка. Дифракционная при достижении определенной температуры импульснокартина характерна для поликристалла и свидетельствуго отжига естественно связать с формированием наноет о наличии большого количества разориентированкристаллов Si. Об этом говорит гашение в спектрах ных друг относительно друга кристаллитов кремния комбинационного рассеяния характерной для аморфного (точечные рефлексы Ч от подложки). Из электронно- Si полосы 480 см-1 и появление дополнительного рассемикроскопического изображения видно, что присутству- яния вблизи пика 520 см-1, присущего монокристаллиют по крайней мере две фазы Ч аморфная среда и ческому Si (рис. 3). Наблюдающийся длинноволновый погруженные в нее кристаллические включения разме- сдвиг относительно 520 см-1 есть следствие размерФизика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Фотолюминесценции слоев SiO2, имплантированных ионами Si+ и отожженных в импульсном режиме Рис. 4. Электронно-микроскопическое изображение высокого разрешения и картина микродифракции после отжига имплантированных слоев SiO2 при 1350C в течение 20 мс.

ного эффекта и может быть использован для оценки для кристаллизации [17]. После отжига ри 900C, 30 мин размеров кристаллитов. Такие оценки дают среднюю комбинационное рассеяние выявило как аморфный Si величину около 3 нм, что хорошо согласуется с дан- (480 см-1), так и кристаллический (520 см-1) [19]. Лишь ными высокоразрешающей электронной микроскопии, отжиги при 1100C и выше в течение 15 30 мин принапрямую подтверждающими образование кремниевых водили к полной кристаллизации выделений Si [17,19].

нанокристаллов (рис. 4).

Причина, по-видимому, заключается в высоком содержаНанокристаллы кремния могут образоваться как за нии кислорода, что, как известно, замедляет твердофазсчет диффузионного стока атомов Si на зародыши ную кристаллизацию кремния [20]. Микроскопия покапри распаде пересыщенного твердого раствора, так и зывает, что сформировавшиеся нанокристаллы содержат путем кристаллизации имевшихся аморфных включедвойниковые границы и другие несовершенства (рис. 4), ний. Использованные нами импульсные отжиги длиа почти равномерное по всему спектру значительное усительностью 1 с и 20 мс ограничивали возможности ление люминесценции при охлаждении образцов до 78 K диффузионно-контролируемого роста кристаллов Si. Соуказывает на присутствие каналов безызлучательной регласно [17], в интересующем нас интервале темперакомбинации и после высокотемпературных отжигов.

тур 1100 1300C коэффициент диффузии Si в SiOКорреляция между формированием кримниевых наносоставляет 10-16 10-15 см2/с. При 20 мс диффузионкристаллов и резким (в десятки раз) увеличением интенная длина оказывается менее 0.05 нм, что совершенно сивности люминесценции представляется весомым аргунедостаточно для формирования экспериментально наментом в пользу квантово-размерного механизма возникблюдавшихся кристаллов Si. С другой стороны, при новения видимого и ИК излучения в данном случае. Это тех же 20 мс твердофазная кристаллизация аморфных не означает обязательно прямую электронно-дырочную нановключений требует скоростей 150 нм/с, которые рекомбинацию, многие исследователи указывают на важв чистом кремнии достигаются уже при 700C, а за ную роль центров вблизи границы SiЦSiO2 [2,11Ц13,16].

1 с кристалл Si вырастает на 3 нс при 550C [18].

Что касается люминесценции до формирования наноТаким образом, скоростей твердофазного роста вполне кристаллов, то предполагаемые квантово-размерное ее хватает для формирования нанокристаллов из аморфных происхождение нуждается в проверке. Интенсивность включений, и возникает вопрос, почему кристаллизация ее мала и быстро убывает при умеренных нагревах.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам