Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 9 Исследование пористого кремния, полученного имплантацией ионов криптона и лазерным отжигом й М.Ф. Галяутдинов, Н.В. Курбатова, Э.Ю. Буйнова, Е.И. Штырков, А.А. Бухараев Казанский физико-технический институт Российской академии наук, 420029 Казань, Россия (Получена 20 августа 1996 г. Принята к печати 25 октября 1996 г.) Эллипсометрическим методом исследован процесс образования мелкопористого слоя, насыщенного атомами инертного газа, в кристаллической решетке кремния, легированного большими дозами криптона, а затем облученного наносекундными лазерными импульсами. Изучено изменение комплексного показателя преломления в этом слое под действием лазерных импульсов разной мощности. С помощью сканирующего силового микроскопа прослежена трансформация пор в зависимости от плотности энергии лазерного отжига и оценены их размеры.

Введение отжигались дискретные участки при разной плотности энергии W = 0.1 2.0Дж/см2. Таким образом, на За последние пять лет в литературе появилось много каждом образце одновременно имелось несколько участработ, посвященных исследованию пористого кремния ков с разной степенью разупорядочения кристалличе(ПК), полученного электрохимическим травлением моской решетки: от полной аморфизации при W = 0 до нокристаллического Si [1Ц5]. В результате реакции в полной рекристаллизации при пороговом значении W, исходном монокристалле Si образуется разветвленная характерном для каждого образца, а также контрольный система пор с размерами от 2 до 50 нм, направленных участок кремния, не подвергнутого имплантации.

в глубь кристалла [5,6]. Интерес к ПК вызван его С помощью лазерного эллипсометра ЛЭФ 3М-1 исслеуникальным свойством Ч наличием интенсивной фотодовалось изменение поляризации монохроматического люминесценции в видимой области спектра, что делает пучка света ( = 0.63 мкм) при отражении его от каждоего особенно ценным для оптоэлектроники [1,3Ц5,7].

го отожженного участка и от контрольного на всех образНесмотря на большое количество работ, посвященных цах, различающихся количеством введенных примесных выяснению микроскопической природы фотолюминесатомов Kr. Измерения проводились при комнатной ценции в ПК, этот вопрос пока остается открытым [8].

температуре и атмосферном давлении при угле падения По мнению большинства исследователей, необычные зондирующего излучения на образец 70, оптимальном свойства ПК вызваны квантовыми размерными эффектадля кремния [9]. Измеряемые параметры поляризации ми. Согласно другой точке зрения, фотолюминесценция отраженного света и зависят от угла падения света в ПК обусловлена силоксеном и его производными, на образец, от толщины слоя естественного окисла SiOкоторые образуются в процессе анодного травления.

и его показателя преломления, а также от распределения С этой точки зрения пористый кремний, полученный показателя преломления n и коэффициента экстинкции нами в результате имплантации ионов инертного газа k исследуемого слоя по глубине. Параметры и Kr+ в монокристаллическую подложку с последующим являются интегральными, так как содержат информацию лазерным отжигом (ЛО) [9], представляет интерес для о свойствах всего исследуемого объема образца, размеры исследования, так как существенно отличается от традикоторого в свою очередь определяются глубиной проционно приготовленного ПК.

никновения света. В сильно разупорядоченных образцах В предлагаемой работе выполнено исследование как кремния из-за сильного поглощения зондирующее излуэллипсометрическим методом, так и с помощью скачение ( = 0.63 мкм) проникает на глубину не более нирующей силовой микроскопии ПК, полученного в 100 нм.

различных режимах имплантации и ЛО.

Имплантированную часть подложки удаляли послойно методом анодного окисления и последующего стравливаЭксперимент ния окисла в разбавленной кислоте. Толщина стравленного слоя d составляла в нашем эксперименте 10 нм Исследовался монокристаллический кремний p-типа на каждом шаге. После каждого шага удаления слоя проводимости, легированный ионами Kr+ с энергией измерялись эллипсометрические параметры и.

E = 40 кэВ дозами D = 6 1014, 1.08 1015, 4.8 1015, Эллипсометрические параметры связаны с оптиче6 1015, 1.08 1016, 6 1016, 2.4 1017 см-2 при плотскими постоянными n и k исследуемой поверхности ности ионного тока от 2 до 5 мкА / см2. На каждом основным уравнением эллипсометрии [10] из семи полученных образцов импульсным излучением рубинового лазера (длина волны = 0.69 мкм, длительность импульса = 50 нс) через диафрагму tg exp i= f (n, k,... ). (1) Исследование пористого кремния, полученного имплантацией ионов криптона и лазерным отжигом Рис. 1. Изменение эффективных оптических постоянных и k (действительной и мнимой части комплексного показателя преломления) в приповерхностном слое кремния, легированного большими дозами ионов криптона, после наносекундного лазерного отжига. a: E = 40 кэВ, D = 6 1014 см-2. b: E = 40 кэВ, D = 2.4 1017 см-2.

При определении n, k из экспериментальных элли- стравлен слой, содержащий ионы Kr+ (d 100 нм).

псометрических параметров конкретный вид функции Дифференциальные значения n(d) и k(d) для каждого в правой части задается в соответствии с выбранной тонкого слоя не рассчитывались, так как нас интеремоделью поверхности. Для получения искомых величин совал лишь характер поведения оптических постоянных оптических постоянных n и k для каждого шага травле- в пределах имплантированной части подложки, а не их ния решалась обратная задача эллипсометрии в моде- абсолютное значение в каждом тонком слое. Поэтому ли Фчистой поверхностиФ (Фвоздух / имплантированный исследовалось изменение эффективных постоянных и k слойФ) по специальной программе анализа эллипсоме- в приповерхностном слое, содержащем атомы инертного трических измерений [11]. Выбор именно этой модели газа криптона. Как показало аналогичное послойное элобъяснялся тем, что в исследованных образцах из-за липсометрическое исследование кремния, легированного сильного поглощения зондирующий свет проникал на ионами Ar+ (E = 40 кэВ, D = 1015 см-2) [12], характер глубину, не превышающую толщину имплантированного изменения эффективных оптических постоянных и k в слоя. После каждого шага травления рассчитывались имплантированном слое соответствует поведению n(d) эффективные оптические постоянные и k всей остав- и k(d), рассчитанных для каждого тонкого слоя.

шейся части имплантированного слоя. Эта операция В результате для исследованных образцов были побыла проделана десять раз, пока не был полностью лучены профили, характеризующие изменение показатеФизика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 1132 М.Ф. Галяутдинов, Н.В. Курбатова, Э.Ю. Буйнова, Е.И. Штырков, А.А. Бухараев Рис. 2. Изображение поверхности кремния, легированного ионами Kr+ (E = 40 кэВ, D = 2.4 1017 см-2), полученное с помощью сканирующего силового микроскопа: a Ч исходный монокристалл Si КДБ-1 (111); b Ч аморфный участок; c Чпосле ЛО = 0.69 мкм, = 50 нс, W = 0.19 Дж/см2; d Чпосле ЛО =0.69 мкм, = 50 нс, W = 1.1Дж/см2.

я преломления и коэффициента экстинкции (т. е. дей- Микроскопические исследования проводились с помоствительной и мнимой части комплексного показателя щью сканирующего силового микроскопа P4-SPM-MDT, преломления N = n - ik) в пределах всего слоя, разработанного фирмой ФНанотехнология-MDTФ (г. Зесодержащего имплантированную примесь, для участков, леноград). Измерения проводились в режиме контактной отожженных ноносекундными лазерными импульсами моды.

при разной плотности энергии W. Эти зависимости для двух образцов приведены на рис. 1, a, b. Соединение рассчитанных точек ломаной линией говорит лишь о том, Обсуждение результатов что измерения выполнялись дискретно, после стравливания каждый раз слоя образца толщиной 10 нм. Пунктир- Как видно из рис. 1, a, внедрение ионов Kr+ при дозе ные горизонтальные линии на всех зависимостях рис. 1 6 1014 см-2 в совершенную кристаллическую решетку соответствуют c и kc Ч значениям оптических посто- Si с постоянными по всей глубине оптическими посто янных исходного монокристалла. Они были измерены янными c = 3.85, kc = 0.02 приводит к существенному на контрольном, не подвергнутом имплантации участке увеличению и k в пределах исследованного слоя. Это исследованной пластины кремния. Эти измерения также указывает на значительное нарушение кристаллической были выполнены послойно, через 10 нм. Постоянство структуры материала, причем слой с максимальным зна c и kc в пределах всего исследованного слоя толщи- чением = 5 удален от поверхности в глубь образца на ной 100 нм говорит о совершенстве кристаллической 30 нм, тогда как точка максимального значения k = 0.решетки исходного кремния, поскольку комплексный лежит на поверхности. Несовпадение максимумов по показатель преломления, как известно, чувствителен к глубине объясняется тем, что профиль (d) опредемалейшим изменениям структуры материала. ляется как распределением внедренных ионов, так и Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Исследование пористого кремния, полученного имплантацией ионов криптона и лазерным отжигом распределением дефектов, тогда как профиль k(d) Ч трическим исследованиям, явно должен иметь поритолько дефектами [9,12]. Лазерный отжиг такого образца стую структуру вблизи поверхности. Но обнаружить ее при определенной плотности энергии W восстанавливает удалось только после электрохимического стравливания нарушенную кристаллическую решетку, а вместе с ней слоя толщиной 10 нм, под которым был захоронен ПК и профили (d) и k(d) (рис. 1, a, W = 1.4Дж/см2). (рис. 2, aЦb).

При почти десятикратном увеличении дозы ионов Kr+ Как видно (рис. 2, a), исходный монокристаллический процесс рекристаллизации при лазерном отжиге имеет Si КДБ-1 ориентации (111) имеет ровную поверхность особенность, отмеченную нами в работе [9]. А именно, с незначительными шероховатостями высотой 1нм и в результате облучения аморфного образца одним нанопоперечными размерами 10 нм.

секундным лазерным импульсом с плотностью энергии В имплантированном Si (рис. 2, b) видны поры разниже порога эпитаксиальной рекристаллизации вблизи мером 100 нм, глубиной до 150 нм. После ожига слаповерхности обнаруживается слой толщиной 30 нм бым лазерным импульсом ( = 0.69 мкм, = 50 нс, с эффективным показателем преломления 3, что W = 0.19 Дж/см2) поперечные размеры пор возросли не соответствует ни кристаллическому, ни аморфному до 150 нм, а глубина уменьшилась до 30 нм (рис. 2, c).

кремнию. Это может быть объяснено образованием миПосле облучения одиночным импульсом с плотностью кропор, насыщенных инертным газом. Само по себе энергии W = 1.1Дж/см2 получили мелкопористый явление образования газовых ФпузырьковФ в полупрокремний с размерами пор 30 50 нм (рис. 2, d).

воднике, легированном большими дозами инертного газа (> 1017 см-2), известно [13]. Однако здесь заслуживает внимания главным образом возможность управлять свойЗаключение ствами ПК с помощью лазерного отжига.

Образование пор в сильно легированных криптоном Проведенное эллипсометрическое и микроскопичеобразцах (> 1016 см-2) и их трансформация под дейское исследование кремния, легированного ионами криствием лазерных импульсов прослежены на рис. 1, b.

птона, показало, что имплантация атомов инертного газа Как видно, пористый слой может образоваться сразу в в количестве 1015 1017 см-2 и последующий отжиг одирезультате имплантации с эффективностью тем большей, ночными наносекундными лазерными импульсами пречем больше внедрено ионов инертного газа (уменьшение вращают совершенный монокристалл Si с оптическими в приповерхностном слое по сравнению с c больше постоянными c = 3.85, kc = 0.02 в материал, содерв образце с максимальной дозой инертных атомов).

жащий вблизи поверхности пористый слой, ФзахороненВзаимодействие со слабым одиночным наносекундным ныйФ под пленкой кремния толщиной 10 нм. Эти поры импульсом приводит, по-видимому, к трансформации заполнены инертным газом, что приводит к уменьшению пор, так как наблюдается значительное уменьшение эфэффективного показателя преломления образца втрое по фективного показателя преломления и увеличение эфсравнению с c, в то же время эффективный коэффициент фективного коэффициента экстинкции более чем в 50 раз экстинкции увеличивается в 50 раз по сравнению с kc.

по сравнению с kc (рис. 1, b для W = 0.26 Дж/см2).

При этом размерами пор можно управлять в пределах от При таком поглощении толщина зондируемого слоя не 10 до 150 нм, изменяя плотность энергии отжигающего превывшает 20 нм, а малое значение указывает на лазерного импульса от 0.1 до 1.5 Дж/см2.

то, что основной вклад в показатель преломления дают заполненные инертным газом поры, сконцентрированные Работа выполнена при частичной поддержке Российв этом приповерхностном слое.

ского фонда фундаментальных исследований (№ 96-02Облучение такого ПК одиночным наносекундным ла- 18245) и Государственной научно-технической програмзерным импульсом с плотностью энергии W > 1Дж/сммы ФФизика твердотельных нанострукурФ.

вызывает эпитаксиальную рекристаллизацию, при которой основная часть внедренной примеси криптона вытесняется к поверхности с последующим газовыделени- Список литературы ем [14]. В результате получается более мелкопористый [1] L.T. Canham. Appl. Phys. Lett., 57, 1046 (1990).

материал с показателем преломления, близким к c [2] N. Koshida, H. Koyama. Appl. Phys. Lett., 60, 347 (1992).

(рис. 1, b для W = 1.22 Дж/см2).

[3] R. Tsu, H. Shen, M. Dutta. Appl. Phys. Lett., 60, 112 (1992).

Сделанные в результате эллипсометрического иссле[4] Y.M. Weng, Zh.N. Fan, X.F. Zong. Appl. Phys. Lett., 63, дования выводы относительно образования пористого (1993).

кремния и его модификации наносекундными лазерными [5] X. Zhao, O. Schoenfeld, Y. Aoyagi, T. Sugano. Appl. Phys.

импульсами нашли подтверждение при исследовании с Lett., 65, 1290 (1994).

помощью сканирующего силового микроскопа (ССМ).

[6] А.В. Мельников, Ю.Н. Моисеев, Т.В. Мурзина. ЖЭТФ, 108, Однако неожиданно это оказалось не простой задачей.

669 (1995).

С помощью ССМ исследовался образец с максималь[7] В.А. Караванский, А.Н. Образцов. ФТП, 29, 582 (1995).

ной дозой инертного газа, Si Kr+ (E = 40 кэВ, [8] V.M. Dubin, F. Ozaham, J.N. Chazalviev. Phys. Rev. B, 50, D = 2.4 1017 см-2), который, согласно эллипсоме- 14867 (1994).

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 1134 М.Ф. Галяутдинов, Н.В. Курбатова, Э.Ю. Буйнова, Е.И. Штырков, А.А. Бухараев [9] М.Ф. Галяутдинов, Э.Ю. Карась, Н.В. Курбатова, Е.И. Штырков. Оптика и спектроскопия, 73, (1992).

[10] В.И. Пшеницын, М.И. Абаев, И.Ю. Лызлов. Эллипсометрия в физико-химических исследованиях (Л., 1986).

[11] L. Frank, F.L. McCrackin A Fortran Program for Analysis of Ellipsometer Measurements (NBS Technical Note 479, April 1969).

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам