Книги по разным темам Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 7 Изменение оптических свойств пористого кремния вследствии термического отжига в вакууме й В.А. Киселев, С.В. Полисадин, А.В. Постников Институт микроэлектроники Российской академии наук, 150007 Ярославль, Россия (Получена 4 июля 1996 г. Принята к печати 14 ноября 1996 г. ) Определены оптические константы слоев пористого кремния в диапазоне 600 800 нм и исследовано влияние на них термического отжига в вакууме. Изменение комплексного показателя преломления связано с десорбцией реагентов и продуктов электрохимической обработки кремния. Установлено, что при нагреве до 600 C температурный коэффициент изменения отражения слоя пористого кремния на длине волны 633 нм не превышает 10-6.

Существуют две основные модели для объяснения лю- длине волны излучения HeЦNe-лазера = 633 нм при минесценции простого кремния (ПК). Согласно одной угле подения 15, не начинала повторяться. Спектры отражения (в интервале 400 800 нм), спектры люмииз них, излучение накачки поглощается в объеме ПК, а фотолюминесценция (ФЛ) является следствием излу- несценции и инфракрасные (ИК) спектры пропускания (500 5000 см-1) были сняты для исходных образцов и чательной рекомбинации на поверхности [1Ц3]. Другая для слоев ПК, подвергшихся термообработке.

модель предполагает, что люминесценция обусловлена Установлено, что даже после однократного нагрева до присутствием на поверхности ПК соединений типа си 500 C ПК полностью теряет способность люминесциролоксена, возникающих в процессе анодирования кремвать.

ния [4].

Для исходных образцов ПК были сняты также массИзучение оптических свойств ПК может дать инспектры термодесорбции. На рис. 1, a приведены завиформацию об электронной структуре и механизмах посимости количества десорбируемых частиц от темпераглощения света, рекомбинации и послужить лучшему туры (T ) для двух наиболее интенсивных компонент пониманию природы ФЛ. При термическом отжиге с массовыми числами 2 и 18, ассоциируемых с H2 и образцов ПК с его поверхности происходит десорбция H2O соответственно. Изменения коэффициента отражепродуктов электрохимической обработки и изменяются ния (R) на длине волны = 633 нм при нагреве образца его люминесцентные свойства. В настоящей работе истолщиной h = 8 мкм для 1-го и 5-го циклов приведены следовано изменение оптических характеристик ПК при на рисунке 1, b. Из сравнения рисунков 1, a и 1, b видно, термической обработке в вакууме с целью получения что изменение коэффициента отражения можно связать информации о природе ФЛ в ПК.

с десорбцией газов с поверхности ПК. Для образца Слои ПК приготовлялись на пластинах кремния марки толщиной h = 3 мкм потребовалось 3 цикла термообКДБ-1 (кремний, легированный бором, удельное сопроработки, прежде чем результаты измерения отражения тивление 1 Ом см) ориентации (100). Состав элекстали повторяться в каждом цикле (рис. 1, c). Из рис. 1, c тролита: плавиковая кислота (50 %-я) и изопропиловый видно, что для тонкого образца еще чувствуется влияние спирт в соотношении 1 : 1. Травление проводилось при подложки, поскольку кривую изменения коэффициента плотности тока 15 мА/см2 в течение 30 мин. После аноотражения можно аппроксимировать прямой, описывадирования образцы промывались в деионизованной воде ющей температурную зависимость коэффициента отраи высушивались на воздухе. Для удаления пленки, ображения от чистой поверхности кремния. Таким образом, зующейся при анодировании [4,5], и приготовления разданные проведенных экспериментов свидетельствуют в нотолщинных образцов слой ПК обрабатывался в КОН.

пользу того, что ответственными за изменение коэффиТермический отжиг ПК проводился в вакуумной ка- циентов отражения ПК при нагреве до 600 Cявляются мере с остаточным давлением 10-6 Тор. Температура механизмы сорбцииЦдесорбции газов поверхностью ПК.

нагревателя, на котором крепился исследуемый образец, Обращает на себя внимание также то обстоятельповышалась ступенчато с шагом 10 20 K и каждый ство, что для достаточно толстых образцов, толщиной раз выдерживалась 10 15 мин. При быстром нагреве h > 5 мкм, отсутствует зависимость коэффициента отрапластины со слоем ПК происходило отслаивание ПК от жения от температуры.

подложки, растрескивание вдоль изотермических линий, Спектры отражения до и после отжига приведены что свидетельствует о значительном механическом нана рис. 2 и 3 соответственно. Результатом термообпряжении в слое ПК [6]. Максимальная температура работки является повышение коэффициента отражения нагрева составляла 600 C. Таким образом были приго- поверхности ПК в области 400 550 нм (рис. 3), что товлены слои ПК, однократно нагретые и подвергнутые может быть связано с образованием оборванных связей циклу нагревЦостывание несколько раз. Термоцикличе- и сужением запрещенной зоны или появлением в ней ская обработка повторялась до тех пор, пока зависимость дополнительных уровней или зон вследствие потери коэффициента отражения от температуры, измеренная на водорода [7,8].

Изменение оптических свойств пористого кремния вследствии термического отжига в вакууме показателя преломления 1 и ее вклад в коэффициент отражения незначителен. Это позволило с помощью процедуры подгонки рассчитать комплексный показатель преломления n + i и толщину h пленки ПК. Грубая оценка толщины слоя была сделана из микроскопических измерений по сколу образца.

Процедура подгонки параметров n,, h заключалась в следующем:

1) в диапазоне длин волн 600800 нм зависимости n и от аппроксимировались прямыми, так что n = a+b и = c + d;

2) полагая толщину h достаточно большой для исключения влияния интерференции, подбирали a и b такими, чтобы расчетная прямая коэффициента отражения являлась средней линией экспериментально регистрируемого спектра отражения;

3) подбирались c, d и h таким образом, чтобы в расчетной кривой амплитуда колебаний коэффициента отражения соответствовала экспериментальной;

4) изменением h в небольших пределах (десятки нанометров) достигалось совпадение расчетной и экспериментальной кривых по фазе.

Рис. 2. Спектр отражения ПК, исходный образец.

Рис. 1. a Ч зависимость интенсивности термодесорбции Hи H2O от температуры T. b Ч зависимость коэффициента отражения R слоя ПК толщиной h = 8 мкм от температуры T при нагреве (сплошная линии) и охлаждении (штриховая) в 1-м (1) и 5-м (5) циклах термообработки. c Ч зависимости коэффициента отражения R слоя ПК толщиной h = 3мкм от температуры T при нагреве (сплошная линия) и охлаждении (штриховая) в 1-м (1) и 4-м (4) циклах термообработки.

Для расчета оптических констант слоев ПК измерения спектров отражения проводились для двух состояний поляризации падающего света S и P. Было учтено, что для длин волн 600 800 нм мнимая часть комплексного Рис. 3. Спектр отражения ПК, термоциклированный образец.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 832 В.А. Киселев, С.В. Полисадин, А.В. Постников Оптические константы и толщины исходного и отожженного слоев ПК n h мкм ПК микроскопические = 600 нм = 800 нм = 600 нм = 800 нм расчет измерения Исходный образец 1.25 1.58 0.017 0.013 14.475 7.Термоциклированный образец 1.3 1.6 0.026 0.015 7.825 7.Расчет коэффициента отражения слоя ПК проводился сителей и тем самым вызвать гашение люминесценции.

по формулам Френеля для поглощающей пленки на по- Установлено также, что температурный коэффициент глощающей подложке [9]. Действительная часть показа- отражения ПК по крайней мере значительно ниже, чем теля преломления кремния определялась по измерениям у исходных пластин кремния, и не превышает 10-6.

спектров отражения для исходной пластины, а спектральная зависимость мнимой части взята из литературы [10].

Список литературы Результаты расчетов приведены в таблице.

Вся процедура восстановления параметров n,, h из [1] G.G. Qin, I.Q. Jia. Sol. St. Commun., 86, 559 (1993).

измерения спектров отражения была опробована для [2] J. Kanemitsu, H. Uto, J. Masumoto. Phys. Rev. B, 48, слоя SiO2 на кремнии и показала хорошее совпадение (1993).

восстановленных и известных из независимых измерений [3] F. Koch, V. Petrova-Koch, T. Muschik, A. Nicolov, величин n и h.

V. Gavrilenko. Mater. Res. Soc. Symp., 283, 197 (1993).

Для образцов ПК, не подвергшихся термообработ- [4] H.D. Fuchs, M. Stutzmann, M.S. Brandt, M. Rosenbauer, ке, рассчитанная толщина слоя оказалась в 2 2.5 J. Weber, A. Breitchwerdt, P. Deak, M. Cardona. Phys. Rev.

B, 48, 8172 (1993).

раза больше, чем определенная из микроскопических [5] V.A. Kisilev, A.A. Chrebtugov, A.B. Churilov. SPIE Proc. Int.

измерений. Для темроциклированных образцов толщина Conf. Microelectronics-92 (Warsaw, Poland, 1992) v. 1783, слоя, определенная в процедуре подгонки, совпадала с p. 378.

измерениями по сколу. Из предыдущих исследований [6] V. Lehmann, U. Gosele. Appl. Phys. Lett., 58, 856 (1991).

ПК [11,12] известно, что слой ПК структурно однороден [7] N. Ookubo, H. Ono, Y. Ochial, Y. Mochizuki, S. Matsui. Appl.

по толщине, а граница раздела пленкаЦподложка Ч Phys. Lett., 61, 940 (1992).

резкая. В экспериментах по оксидированию ПК [13] [8] Е.А. Константинова, В.Ю. Тимошенко, П.К. Кашкаров.

выяснено, что уплотнение, усадка начинаются при темпеПоверхность, вып. 2, 32 (1996).

ратурах выше 1000 C. Исходя из этих данных различие [9] В.К. Громов. Введение в эллипсометрию (Л., Изд-во ЛГУ, между вычисленной и измеренной толщинами пленки 1986).

можно обяснить значительной оптической неоднородно[10] Ж. Панков. Оптические процессы в полупроводниках, стью слоя ПК по глубине, т. е. тем, что в порах находятся (М., Наука, 1973).

химически адсорбированные реагенты и продукты элек[11] M.I.J. Beale. J. Crysr. Growth, 73, 622 (1985).

трохимической обработки кремния.

[12] В.А. Лабунов, В.П. Бондаренко, Л.К. Глиненко, И.Н. БасИз таблицы видно, что значения для исходного и манов. Микроэлектроника, 12, 11 (1983).

отожженного образцов близки, однако вследствие завы[13] J.J. Yon, K. Barla, R. Herino, G. Bomchil. J. Appl. Phys. 62, шенного расчетного значения толщины слоя ПК, для 1042 (1987).

обеспечения такого же по величине затухания амплиРедактор Л.В. Шаронова туды интерференционных максимумов и минимумов в спектре отражения, значение должно быть увеличено The change of porous silicon optical во столько же раз, во сколько завышено h. В связи constants due to thermal annealing in с оптической неоднородностью по толщине исходных vacuum слоев ПК найденные для них значения носят приближенный характер.

V.A. Kisilev, S.V. Polisadin, A.V. Postnikov Таким образом, было исследовано влияние термичеInstitute for Microelectronics, ского отжига в вакууме на оптические свойства ПК. БыRussian Academy of Sciences, ло обнаружено, что химически адсорбированные продук150007 Yaroslavl, Russia ты электрохимической обработки кремния значительно изменяют электронные состояния в слое. Это проявляет

Abstract

Optical constants of porous silicon have been deterся в том, что для исходных образцов оптическая толщина mined in the range of 600 800 nm; the thermal annealing слоя nh значительно, в 2.0 2.5 раза, превышает оптиinfluence on optical properties has been studied. The change in the ческую толщину термоциклированного образца. Мниcomlex refractive index is connected with desorption of reagents мая часть комплексного коэффициента преломления для and products of the electrochemical treatment. It was found that длин волн 600 800 нм уменьшается вследствие отжига.

below 600 C the temperature coefficient of reflectivity does not Такие изменения оптических констант могут повлиять на вероятность процессов поверхностной рекомбинации но- exceed 10-6.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, №    Книги по разным темам