Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 |

Используя полученные данные по кинетике выделения температурах выше 900C, когда формируются кристалкремниевой фазы в процессе отжига (рис. 3), можно оцелические нановключения кремния. При более низких нить параметры диффузионного процесса, который опретемпературах процесс разложения выходит на насыщеделяет формирование наночастиц кремния. Для такой ние при неполном разложении оксида, причем атомная оценки необходимо знать размеры и форму образующихдоля выделившейся кремниевой фазы ( Si) уменьшается ся наночастиц. В ряде теоретических работ получены с уменьшением температуры.

соотношения, связывающие ширину оптической щели ФЛ в свеженапыленных пленках малоинтенсивна, что (Eg) и положение максимума полосы ФЛ с размерами не позволяет выделить четкую полосу; столь слабая нанокристаллов кремния. В качестве примера можно люминесценция объясняется наличием дефектов в на- использовать выражения, полученные в работе [16]:

пыленных пленках. При отжиге до 500C также не Eg = 1.12 + 3.73/d1.39, где Eg Ч энергия максимума удается выделить четкую полосу ФЛ, что объясняется спектра ФЛ в эВ, d Ч диаметр частиц в нанометрах.

отсутствием кремниевой фазы в образцах.

В нашем случае наночастицы в образцах, отожженных Для образцов, отожженных при более высоких темпе- при температурах 600-700C, являются аморфными, поратурах, наблюдались широкие полосы ФЛ в красной и этому для количественного анализа это соотношение не ближней ИК области (рис. 4, 5). Для температур отжига годится. В свою очередь было показано [12], что размеры 600 и 650C максимум полосы соответствует длине аморфных наночастиц, которые являются центрами ФЛ, волны =(800 20) нм, для температуры 1000C по- приблизительно равны размерам кристаллитов. Поэтому ложение максимума Ч =(900 20) нм. В образцах, использование такой зависимости для приблизительной отожженных при промежуточных температурах, можно оценки величины наночастиц оправдано. Для длины выделить обе полосы. волны излучения 800 нм диаметр наночастиц, согласно Как показано в предыдущих исследованиях [12,14], приведенному выражению, составляет 4.7 нм.

ФЛ с максимумом на длине волны 900 нм может быть Экспериментальное определение размеров нанокрисвязана с излучением в кристаллических наночастицах сталлов кремния в образцах, аналогичных нашим Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Кинетика фазово-структурных преобразований в тонких пленках SiOx в процессе... Таблица 2. Значения коэффициентов диффузии T, C 600 650 700 900 Dexp 4.6 10-15- 7.3 10-16 9.6 10-15- 2.9 10-15 2.1 10-14- 7.3 10-15 > 3 10-14 > 3 10-DSiЦSiO2 3.2 10-30 2.5 10-28 7.7 10-27 3.9 10-22 2.5 10-DSiЦSi 1.4 10-26 5.9 10-25 1.7 10-23 6.0 10-19 3.2 10-DOЦSiO2 5.5 10-11 1.3 10-10 2.7 10-10 2.8 10-9 7.0 10-DOЦSi 5.9 10-16 3.5 10-15 1.6 10-14 2.3 10-12 1.6 10-Примечание. Все значения коэффициентов диффузии приведены в см2/c.

(x = 1.3, термическое напыление SiO) и отожженных происходит практически полный распад SiOx на SiOпри температуре 1000C, было проведено с исполь- и Si, состав оксида в области диффузионной сферы будет зованием высокоразрешающей электронной микроско- SiO2. Для более низких температур экспериментальноe пии [12]. Обнаружено, что нанокристаллы Si равномерно значение y дает усредненный состав оксидной матрицы распределены в оксидной матрице и их средний диаметр после отжига. Если оксидная матрица после отжига составляет 4.3 нм. однородна, то значение y можно использовать при оценТаким образом, для приближенной оценки коэффици- ке D. В противном случае каждая наночастица окружена ента диффузии мы можем принять диаметр наночастиц оболочкой с повышенным содержанием кислорода и в нашем случае равным 4Ц5 нм. В ранних работах, промежутки имеют состав SiOx. При этом усредненный посвященных структурам nc-SiЦSiOx, предполагалось, состав оксидной матрицы соответствует значению y.

что нанокристаллы nc-Si образуются за счет диффузии Оценку D для температур 600-700C будем проводить атомов кремния из окружающей среды к зародышам [17]. для двух предельных случаев: однородной оксидной В ряде недавних исследований на основе эксперимен- матрицы после отжига (максимальное значение D) и тальных результатов и теоретического моделирования перекрывающихся диффузионных сфер состава SiOбыла высказана гипотеза о перколяционном характере (минимальное D). Полученные результаты приведены в формирования нанокластеров и цепочек атомов кремния первой строке табл. 2 (Dexp).

при температурах ниже 700C [8Ц10]. При повыше- Сопоставим полученные данные с результатами изнии температуры происходит трансформация перколя- мерений коэффициентов диффузии кремния в подобционных выделений в наноразмерные частицы аморф- ных структурах. Для осажденных с помощью терминой фазы кремния и лишь при температурах выше ческого напыления оксидных слоев SiOx данные в ли1000C коэффициент диффузии Si в SiO2 уже достаточен тературе отсутствуют. Диффузия имплантированных в для диффузионно-контролируемого роста преципитатов SiO2 атомов кремния исследовалась с использованикремния. Однако такая модель предложена для слоев, ем методики вторично-ионной масс-спектрометрии [18].

полученных имплантацией Si в SiO2, в которых возмож- Было показано, что полученные экспериментально формирование мелких кластеров кремния еще в про- ные результаты очень хорошо аппроксимируются выцессе имплантации и где наблюдается люминесценция ражением DSiЦSiO [см2/c] =33.2exp(-5.34 эВ/kT ), где еще до отжига. В более однородных аморфных слоях, DSiЦSiO Ч коэффициент диффузии кремния в SiO2, полученных с помощью термического испарения, более T Ч температура, которая изменялась в пределах предпочтительной представляется модель диффузионно- 1000-1200C, k Ч постоянная Больцмана. Значения контролируемого формирования наночастиц. DSiЦSiO, полученные с помощью этого выражения, Предположим, что наночастицы кремния растут в приведены в табл. 2 во второй строке. Видно, что виде сферических частиц радиусом 2.5 нм за счет диф- коэффициент диффузии, который определяет процесс физии к ним атомов кремния из окружающей обла- формирования наночастиц кремния в исследованных сти (диффузионная сфера) с радиусом 2.5 нм + Dt, слоях, почти на 10 порядков превышает коэффициент где Dt Ч диффузионная длина, D Ч коэффициент диффузии атомов кремния в SiO2. Можно было поладиффузии, t Ч время диффузии. В качестве времени гать, что в оксидной матрице, обогащенной кремнием, диффузии будем брать время выхода на насыщение ки- коэффициент диффузии будет выше. Поэтому в тренетической кривой термостимулированного выделения тьей строке приведены значения коэффициента самокремниевой фазы. Для температур выше 900C это диффузии атомов кремния в кристаллическом кремнии время неизвестно, мы только можем констатировать, DSiЦSi из работы [19] (экстраполяция на температучто оно меньше 1 с. Зная исxодный состав пленки и ры 600-700C осуществлена с помощью выражения состав матрицы в области диффузионной сферы после DSiЦSi [см2/c] =9.0 103 exp(-5.17 эВ/kT), приведенного выделения фазы кремния, можно определить радиус в указанной работе для интервала 1100-1300C). Виддиффузионной сферы для каждой температуры, а затем но, что и эти значения не менее чем на 5 порядков ниже и значение D. Для температур выше 900C, когда полученных нами величин D.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1244 В.А. Данько, И.З. Индутный, В.С. Лысенко, И.Ю. Майданчук, В.И. Минько, А.Н. Назаров...

Таким образом, гипотеза о формировании наноча- В рамках модели диффузионно-контролируемого форстиц кремния за счет диффузионного стока избыточных мирования наночастиц кремния проведена оценка веатомов Si вступает в противоречие с полученными личины коэффициента диффузии. Полученные значения результатами. Однако наночастицы кремниевой фазы мо- коэффициента диффузии D, который определяет процесс гут быть образованы и за счет термостимулированного образования наночастиц кремния в исследованных слодиффузионного ДуходаУ атомов кислорода из области ях, почти на 10 порядков превышают величину коэффилокализации формирующейся кремниевой наночастицы циента диффузии атомов кремния в SiO2 и на 5 порядков в диффузионную сферу. Предположение о возможности величину коэффициента самодиффузии атомов кремния такого механизма было высказано в предыдущей рабо- в кристаллическом кремнии. В то же время эксперименте [20] на основе анализа результатов подробного изуче- тальные величины D сопоставимы с коэффициентами ния с помощью ИК спектроскопии фазово-структурных диффузии кислорода в SiO2 и в кремнии.

преобразований в пленках SiOx в процессе вакуумных Приведенные результаты подтверждают предположетермообработок. Было показано, что слабоокисленные ние об определяющей роли диффузии кислорода в молекулярные кластеры исходного слоя SiOx (в основ- процессе структурно-фазовых превращений в слоях SiOx ном SiOSi3) теряют кислород, трансформируясь в тетраи образования наночастиц Si.

эдры SiSi4. Кислород диффундирует и, взаимодействуя с сильноокисленными кластерами (например, SiO3Si), Список литературы трансформирует их в SiO4. В результате происходит локальное выделение кремниевой фазы и обогащение [1] M. Molinary, H. Rinnert, H. Vergnat. Appl. Phys. Lett., 82, оксидной фазы кислородом.

2877 (2003).

В четвертой и пятой строках табл. 2 приведены [2] В.Я. Братусь, В.А. Юхимчук, Л.И. Бережинский, М.Я. Вазначения коэффициентов диффузии кислорода в SiOлах, И.П. Ворона, И.З. Индутный, Т.Т. Петренко, П.Е. Ше(DOЦSiO ) и в кремнии (DOЦSi). Данные для исследованпелявый, И.Б. Янчук. ФТП, 35, 854 (2001).

ного интервала температур взяты из справочника [21].

[3] И.П. Лисовский, И.З. Индутный, Б.Н. Гненный, П.М. ЛитИз табл. 2 видно, что коэффициент диффузии атомов вин, Д.О. Мазунов, А.С. Оберемок, Н.В. Сопинский, кислорода и в оксиде, и в кремнии на много порядков выП.Е. Шепелявый. ФТП, 37, 98 (2003).

ше, чем атомов кремния, и для температур 600-700C [4] B. Garrido Fernandez, M. Lopez, C. Garcia, A. PerezRodrigues, R. Morante, C. Bonafos, M. Carrada, A. Claverie.

согласуется со значениями, полученными в настоящей J. Appl. Phys., 91, 798 (2002).

работе. Оценка нижней границы величины D при 900 и [5] M. Lopez, B. Garrido, C. Garcia, P. Pellegrino, A. Perez1000C также ближе к значениям коэффициента диффуRodrigues. Appl. Phys. Lett., 80, 1637 (2002).

зии кислорода. Это свидетельствует в пользу гипотезы о [6] B. Gallas, C.-C. Kao, S. Fission, G. Vuye, J. Rivory, Y. Bernard, том, что именно подвижность кислорода может лежать C. Belouet. Appl. Surf. Sci., 185, 317 (2002).

в основе механизма разделения фаз в слоях SiOx.

[7] Daigil Cha, Jung H. Shin, In-Hyuk Song, Min-Koo Han. Appl.

Phys. Lett., 8, 1287 (2004).

[8] Г.А. Качурин, И.Е. Тысченко, В. Скорупа, Р.А. Янков, 4. Заключение К.С. Журавлев, Н.А. Пазников, В.А. Володин, А.К. Гутаковский, А.Ф. Лейер. ФТП., 31, 730 (1997).

Быстрый термический отжиг осажденных в вакууме [9] Г.А. Качурин, А.Ф. Лейер, К.С. Журавлев, И.Е. Тысченко, слоев SiOx в интервалах времен 1Ц40 с и температур А.К. Гутаковский, В.А. Володин, В.А. Скорупа, Р.А. Янков.

600-1000C приводит к изменению состава оксидной ФТП, 32, 1317 (1998).

фазы пленки, выделению фазы кремния и появлению [10] Г.А. Качурин, С.Г. Яновская, В.А. Володин, В.Г. Кеслер, полосы поглощения в ближней ИК области спектра.

А.Ф. Лейер, М.-O. Ruault. ФТП, 36, 685 (2002).

Количество кремния, который формирует кластеры, а [11] G. Zuther. Phys. Status Solidi A, 59, K109 (1980).

также состав матрицы после отжига (SiOy ) зависят [12] D. Nesheva, C. Raptis, A. Perakis, I. Bineva, Z. Aneva, Z. Levi, от температуры и времени отжига. При температурах S. Alexandrova, H. Hofmeister. J. Appl. Phys., 8, 4678 (2002).

выше 900C процесс разделения фаз завершается уже [13] M. Nakamura, V. Mochizuki, K. Usami, U. Yoto, T. Nozaki.

Solid St. Commun., 50, 1079 (1984).

за 1 с отжига. При более низких температурах впервые [14] I.Z. Indutnyy, I.P. Lisovskyy, D.O. Mazunov, P.E. Shepeliavyi, наблюдалась кинетика фазового разделения оксида кремG.Yu. Pudko, V.A. DanТko. Semicond. Phys. Quant. Electron.

ния: рост количества выпавшего кремния с увеличением Optoelectron., 7, 161 (2004).

времени отжига и выход на насыщение. Время выхода [15] Д.И. Тетельбаум, О.Н. Горшков, А.П. Касаткин, А.Н. Мина насыщение уменьшается с увеличением температуры.

хайлов, А.И. Белов, Д.М. Гапонова, С.В. Морозов. ФТТ, Для 600C оно составляет 40 c, для 650CЧ10 c, для 47, 17 (2005).

700CЧ4 c.

[16] C. Delerue, G. Allan, M. Lannoo. Phys. Rev. B, 48, 11 Максимум полосы ФЛ для температур отжига (1993).

и 650C соответствует длине волны (800 20) нм, для [17] L.A. Nesbit. Appl. Phys. Lett., 46 (1), 38 (1985).

температуры 1000C Ч (900 10) нм. В образцах, [18] D. Mathiot, J.P. Schunck, M. Perego, M. Fanciulli, отожженных при промежуточных температурах, можно P. Normand, C. Tsamis, D. Tsoukalas. J. Appl. Phys., 94, выделить обе полосы. (2003).

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Кинетика фазово-структурных преобразований в тонких пленках SiOx в процессе... [19] Физические свойства. Свойства элементов (ч. 1). Справочник, под ред. В. Самсонова (М., Металлургия, 1976).

[20] И.П. Лисовский, И.З. Индутный, В.Г. Литовченко, Б.М. Гненный, П.М. Литвин, Д.О. Мазунов, О.С. Оберемок, Н.В. Сопинский, П.Е. Шепелявый. Укр. физ. журн., 48, 250 (2003).

[21] Технология СБИС, под ред. С. Зи (М., Мир, 1986) т. 1.

Редактор Л.В. Шаронова Kinetics of structural-phase transformations in thin SiOx films in the course of rapid thermal annealing V.A. DanТko, I.Z. Indutnyy, V.S. Lysenko, I.Yu. Maidanchuk, V.I. MinТko, A.N. Nazarov, A.S. Tkachenko, P.E. Shepeliavyi V. Lashkoryov Institute of Semiconductor Physics, National Academy of Sciences of Ukraine, 03028 Kyiv, Ukraine

Abstract

The IR-spectroscopy and photoluminescence techniques were used to study the structural-phase transformation processes in SiOx film during fast thermal annealing for 1Ц40 s at temperatures 500-1000C. For the first time has been observed the kinetics of the phase separation (the growth of the silicon phase and the increasing of annealing time with following saturation of the kinetics) at temperatures 600-700C. At temperatures above 900C, the process of the phase separation requires 1 s only. The value of the diffusion coefficient was estimated in terms of a diffusion-control model of Si nanoparticles formation.

Here the values obtained exceed by 5Ц10 orders of magnitude the diffusion coefficient of silicon in SiO2 and Si and are comparable with those of oxygen in such structures. It has been assumed that it is exactly the mobility of oxygen that is responsible for structural-phase transformations and the formation of nanoparticles of Si in SiOx layers during the annealing.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам