Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 1 05;06;10;12 Упорядоченные гелиевые поры в аморфном кремнии, индуцированном облучением низкоэнергетическими ионами гелия й В.Ф. Реутов, А.С. Сохацкий Объединенный институт ядерных исследований, Лаборатория ядерных реакций им. Г.Н. Флерова, 141980 Дубна, Московская обл., Россия e-mail: sohatsky@nrsun.jinr.ru (Поступило в Редакцию 24 июня 2002 г.) Тонкие, прозрачные в просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ), самонесущие пластинки кремния (001) облучали в (110)-торец низкоэнергетическими (E = 17 keV) ионами He+ в интервале доз 5 1016- 4.5 1017 cm-2 при комнатной температуре. Послерадиационными ПЭМ исследованиями структуры Si вдоль пробега ионов установлено, что в области наибольшего повреждения тонких кристаллов Si формируется слой аморфного кремния (a-Si), по всей ширине которого зарождаются и растут гелиевые поры диаметром 2Ц5 nm и плотностью до 31017 cm-3. Формирование нанопор в слое a-Si сопровождается их линейным упорядочением в виде цепочек, ориентированных вдоль направления движения ионов. Отсутствие пор в неаморфизованной области образца с максимальной концентрацией внедренного гелия объясняется десорбцией атомов гелия из тонкого кристалла в процессе облучения. В результате отжига при 600C в сохранившемся слое a-Si наблюдается рост объема пор за счет захвата неподвижными порами атомов гелия из аморфной матрицы. Показано, что преимущественным состоянием имплантированного в аморфный Si гелия после облучения является его состояние в виде твердого раствора. В аморфном кремнии, легированном гелием, обнаружены линейные структурные особенности диаметром около 1 nm и плотностью около 107 cm-1, которые интерпретированы как ионные треки от низкоэнергетических ионов He+.

Введение в пузырьки можно предположить также и существование их значительной растворимости, по-видимому, такой же Поведение атомов гелия в полупроводниках в послед- аномально высокой, как и в c-Si [9,10]. При этом, на нее время широко исследуется по причине обнаруженно- наш взгляд, существенные отличия в поведении гелия го чрезвычайно эффективного гетерирования гелиевыми в аморфном и в кристаллическом Si должны проявиться порами нежелательных примесей, особенно атомов пев различной способности атомов гелия к миграции.

реходных металлов [1], а также в связи с применением В частности, компьютерным моделированием [11,12] эффекта газового скалывания [2,3] для изготовления показано, что атомы гелия могут стабилизироваться структур типа Дкремний на изолятореУ. Кроме того, в тетраэдрических междоузельных позициях в кристалпредставляется перспективным получение кристаллов лической решетке Si. При этом междоузельные атомы кремния с очень высокой плотностью нанопор на уровне гелия испытывают сильное отталкивание от одиночных 1018 cm-3 с узким размерным распределением [4]. Провакансий, достаточное для преодоления потенциального межутки между стенками нанопор в таком случае, барьера активации их диффузии (около 0.8 eV) [12]. Поимея размеры 3Ц5 nm, обеспечивают возможность лювидимому, аналогичный механизм активации диффузии минисценции кремниевых нанокристаллов [5]. Подобный гелия невозможен в аморфном Si, поэтому следует квантово-размерный эффект весьма привлекателен, поожидать значительно более низкую подвижность раствоскольку открывает инженерию активных оптоэлектронренных в a-Si атомов гелия. В этой связи представляется ных приборов на базе кремния, являющегося главным интересным изучить процесс формирования гелиевой материалом современной электроники.

пористости в аморфном кремнии.

Однако требующиеся для создания пористых структур В настоящей работе исследовано формирование и в кремнии дозы облучения ионами гелия зачастую претермическая стабильность гелиевых пор в аморфных вышают уровень 1017 cm-2. В этих условиях в кристалслоях, ионно-индуцированных в тонких кристаллических лы вводится значительное радиационное повреждение.

пластинках кремния, облученных низкоэнергетическими При определенных условиях накопление повреждения ионами гелия.

может приводить к радиационно-индуцированной аморфизации кремния [6,7].

Хотя возможность образования гелиевых пор в аморф- Эксперимент ном кремнии и была обнаружена в работе [8], поведение атомов гелия, имплантированных в a-Si, практически не Исследования структурных изменений в кремисследовано. Тем не менее по аналогии с кристалличе- нии вдоль пробега бомбардирующих ионов гелия ским кремнием (c-Si) в аморфномSi нарядусоспособно- проводились с помощью просвечивающей электронстью имплантированных атомов гелия агломерироваться ной микроскопии (ПЭМ) по специально разработан74 В.Ф. Реутов, А.С. Сохацкий Образцы (тонкие Si пластинки) облучались масссепарированным пучком ионов He+ с энергией E = 17 keV и интенсивностью 2 1014 cm-2 s-1 в интервале доз от 1016 до 4.5 1017 cm-2. Облучение проводилось при различных (90, 65, 45 и 30) углах падения пучка ионов на бомбардируемую поверхность торца пластинок. Расчетная температура облучения тонкой Si пластинки не превышала 40C.

Отжиг образцов проводился путем быстрого нагревания в потоке сухого азота до температуры 600C со скоростью 10 s-1 с последующим охлаждением (без стадии выдержки). Данная скорость нагревания была Рис. 1. Схема облучения тонкой самонесущей пластинки выбрана с учетом скорости термодесорбции гелия из кремния по ПЭМ методике Дпродольного cеченияУ (e- Ч кремния [9] с целью обеспечения условий полного сохранаправление пучка электронов в ПЭМ).

нения имплантированного гелия в облученном образце.

Результаты и их обсуждение ной ПЭМ методике Дпродольного сеченияУ [13,14].

В отличие от широко используемого ПЭМ меКак показали ПЭМ исследования, структурные изметода Дпоперечного сеченияУ (XTEM), включающенения вдоль пробега ионов He+ в тонкой кристаллиго этапы облучение препарирование объекта для ческой пластинке кремния, облученной в торец дозой XTEM ПЭМ исследование, развитый нами метод менее 5 1016 cm-2, характеризуются в основном обимеет принципиально другую последовательность этаразованием скоплений радиационных дефектов в виде пов, а именно препарирование объекта по ПЭМ метокластеров и дислокационных петель. Концентрационный дике Дпродольного сеченияУ облучение ПЭМ испрофиль подобных скоплений неоднороден вдоль пробеследование. Таким образом, по данной методике ПЭМ га ионов и имеет максимум на глубине около 170 nm.

исследование проводилось непосредственно сразу после Увеличение дозы облучения до 1017 cm-2 вызывает облучения.

накопление повреждения в кристалле, что приводит Образцы для облучения, приготовленные по ПЭМ к аморфизации области наибольшей концентрации скопметодике Дпродольного сеченияУ, представляли собой лений дефектов (рис. 2, a). На этом этапе в обратонкие самонесущие пластинки Si (001) c кристаллозовавшемся слое аморфного кремния (a-Si) замечено графическим краем-торцом (плоскостью (110)) толщиной t в интервале их прозрачности для электронов в просвечивающем электронном микроскопе, т. е. тоньше 350 nm (рис. 1). Образцы приготавливались из исходных 4 4 0.35 mm Si (001) чипов электрохимическим струйным утонением с последующим формированием на них (110) торца. Толщина образцов контролировалась измерением в оптическом микроскопе интерференционных полос равной толщины. (110)-торец самонесущей тонкой пластинки Si являлся бомбардируемой поверхностью. Для экранирования боковых (001)-поверхностей пластинки от облучения применялась строгая коллимация пучка. Схема облучения и ПЭМ исследования по ПЭМ методу Дпродольного сеченияУ приведена на рис. 1.

Естественно полагать, что при облучении тонкой пластинки в торец не все ионы, вошедшие в бомбардируемую поверхность, остановятся в образце, поскольку значительная их часть будет рассеяна из образца через его боковые поверхности. Для учета этого эффекта при расчете профилей радиационного повреждения и легирования материала тонкого образца по пробегу ионов использовалась программа TRIM-98, дополненная Рис. 2. Слой аморфного кремния в тонком кристалле Si разработанной нами программой, учитывающей влияние после его облучения в торец ионами He+ (E = 17 keV) дозой упругого рассеяния ионов и атомов отдачи из тонкой 1017 cm-2. a Ч ПЭМ изображение в темном поле; ТП 220;

пластинки известной толщины. b Ч нанопоры в слое a-Si (светлое поле).

Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. Упорядоченные гелиевые поры в аморфном кремнии, индуцированном облучением... Рис. 3. a Ч линейно упорядоченные гелиевые поры в ионно-индуцированном аморфном слое после облучения тонкого кристалла Si толщиной 150 nm, дозой 4.51017 сm-2; b Ч изменение относительного объема V /V и диаметра d нанопор вдоль проективного пробега Rp ионов He+ в слое a-Si (в масштабе микрофотографии); c Ч расчетный профиль концентрации (C) гелия в тонком кристалле Si (при t = 150 nm), облученном в торец дозой 4.5 1017 cm-2 (1) и расчетная концентрация гелия в нанопорах (2).

формирование пор диаметром около 2 nm и плотностью около 260 nm и соизмерима со средним проективным около 2 1017 cm-3 (рис. 2, b). Характерно, что данные пробегом ионов He+ в кремнии (при E = 17 keV нанопоры распределены в слое аморфного кремния Rp 230 nm). Нанопоры наблюдаются по всей толне хаотично, а линейно упорядочены в направлении, щине аморфного слоя, хотя характер их пространственсовпадающем с направлением движения ионов. ного распределения в нем неоднороден.

При дальнейшем увеличении дозы облучения до В начале и в конце пробега ионов (в слое a-Si) 3 1017 cm-2 ширина слоя аморфного Si увеличивается и нанопоры имеют приблизительно одинаковые средний включает бомбардируемую поверхность. На всех этапах размер и плотность, соответственно около 3 nm и облучения рост ширины аморфного слоя сопровождает- 3 1017 cm-3. При этом имеет место явное упорядося зарождением новых нанопор в области аморфизации чение нанопор в линейные цепочки, ориентированные Si и их характерным линейным упорядочением в направ- перпендикулярно бомбардируемой поверхности. Нанолении пучка. Диаметр и плотность нанопор в области поры в достаточной степени регулярно распределены a-Si увеличиваются с дозой облучения, при этом вне в цепочках со средним расстоянием между ними окоаморфного слоя поры не образуются. ло 2 nm. Плотность цепочек нанопор на снимке около На рис. 3, a показана характерная картина формиро- 2 106 cm-1.

вания нанопор в слое аморфного кремния, индуциро- В области пробега ионов, соответствующих начальванным облучением тонкого кристалла в торец дозой ному формированию аморфного слоя (на глубине око4.5 1017 cm-2. Ширина слоя аморфного Si составляет ло 170 nm), наблюдается образование нанопор с максиЖурнал технической физики, 2003, том 73, вып. 76 В.Ф. Реутов, А.С. Сохацкий Рис. 4. a Ч поры в слое аморфного кремния в образце на рис. 3 после отжига при 600C (пунктирными стрелками показано перемещение фронта эпитаксиальной рекристаллизации a-Si); b Ч изменение объема гелиевых пор по глубине (в масштабе микрофотографии); c Ч сравнение расчетной концентрации гелия в порах (2) с профилем концентрации имплантированного гелия (1).

мальным размером около 5 nm и наибольшим относи- вблизи бомбардируемой поверхности до около 15 nm тельным объемом около 1.6% (рис. 3, b). В этой области у границы аморфного слоя при существенно не измевследствие повышенного объема нанопор их линейное нившейся их плотности. Тем самым объем пор резко упорядочение частично нарушается. Важно отметить, увеличивается по глубине от 0.5 до 12% (рис. 4, b).

что расположение данной области с максимальными В кристаллической области образца в зоне пробега размером и относительным объемом нанопор не сов- ионов He+ поры в результате отжига так и не образопадает по глубине с областью наибольшей расчетной вались.

концентрации имплантированного гелия (рис. 3, c).

Известно, что при отжиге объем вакансионных пор C целью выяснения природы наблюдаемых нанопор уменьшается или по крайней мере сохраняется. Газонабыл проведен отжиг облученного образца кремния (до- полненные поры при отжиге, наоборот, растут с увелизой 4.5 1017 cm-2) при температуре 600C и при чением их объема. Таким образом, наблюдаемое увелискорости нагревания до данной температуры 15 s-1.

чение общего объема нанопор в слое a-Si при отжиге В результате послерадиационного отжига слой аморф- свидетельствует о том, что данные поры газонаполненного Si в образце сохранился, однако его ширина ные. Сохранение плотности пор указывает на отсутуменьшилась до 180 nm из-за частичной эпитаксиальной ствие их миграции в условиях отжига и, следовательно, рекристаллизации a-Si (рис. 4, a). В сохранившемся предполагает механизм их роста за счет присоединения аморфном слое наблюдается рост пор, неоднородный к неподвижным порам либо термических вакансий, либо по глубине. Средний диаметр пор изменяется от 3 nm атомов гелия, либо одновременно вакансий и атомов He.

Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. Упорядоченные гелиевые поры в аморфном кремнии, индуцированном облучением... Рис. 5. Изменение направления линейного упорядочения цепочек гелиевых пузырьков в слое a-Si при наклонном падении пучка ионов гелия на бомбардируемую поверхность. = 65 (a), 45 (b) и 30 (c) (стрелка Ч направление пучка ионов). d Ч треки ионов He+ с энергией 17 keV в аморфном Si, легированном гелием.

Однако неоднородность роста пор по глубине, в част- ние в поре, = 1400 dyn/cm Ч поверхностная свободная ности отсутствие изменений в размерах и плотности на- энергия, G = 40.5 GPa Ч модуль сдвига, b = 0.35 nm Ч нопор вблизи бомбардируемой поверхности, исключает длина вектора Бюргерса краевых дислокаций в Si, r Ч участие в данном процессе термических вакансий, но радиус поры с применением эмпирической изотермы для указывает на механизм роста пор только за счет захвата сверхплотного гелия при комнатной температуре [16] порами атомов He из аморфной матрицы, естественно, показал, что количество гелия в нанопорах значительно при условии ее неоднородного легирования гелием по меньше по сравнению с его расчетной концентрацией глубине. в образце после имплантации.

Расчет количества атомов гелия в нанопорах после Аналогичный расчет для случая послерадиационного облучения (рис. 3, c), приведенный из условия механиче- отжига (рис. 4, c), в котором для пор диаметром более ской стибильности гелиевой поры при пластической де- 10 nm использовалось условие равновесия P = 2/r, формации матрицы P =(2 +Gb)/r [15], где P Чдавле- показал, что количество гелия в порах увеличилось Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 78 В.Ф. Реутов, А.С. Сохацкий в сильно легированной гелием области аморфного слоя, Заключение хотя и не достигло расчетного уровня концентрации Из вышеописанных результатов следует выделить три имплантированного гелия. По-видимому, в начальный важных и неожиданных обстоятельства.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам