ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 5, с. 68-77
УДК 539.1.04
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ПРИПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ Si, ИМПЛАНТИРОВАННОГО ИОНАМИ 64^п+ И В ПРОЦЕССЕ ФОРМИРОВАНИЯ НАНОЧАСТИЦ ZnO ПРИ ТЕРМИЧЕСКИХ ОТЖИГАХ
© 2015 г. В. В. Привезенцев1, *, В. С. Куликаускас2, В. В. Затекин2, Д. В. Петров2,
А. Ю. Трифонов3, А. А. Батраков4
1Физико-технологический институт РАН, 117218 Москва, Россия, 2Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, НИИ ядерной физики им. Д.В. Скобельцина,
119991 Москва, Россия
3Научно-исследовательский институт физических проблем, Зеленоград, 124460Москва, Россия 4Национальный исследовательский университет "Московский энергетический институт" (МЭИ),
111250 Москва, Россия *Е-таП: privezentsev@ftian.ru Поступила в редакцию 14.11.2013 г.
Методом просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения проведена визуализация поперечного сечения приповерхностного слоя кремния, имплантированного ионами 6^п+ и 16О+, и изучена его эволюция в результате термических отжигов. Проанализированы профили распределения имплантированных примесей в этом слое, полученные с помощью вторично-ионной масс-спектрометрии, и их изменение под действием термообработки. Морфология поверхности образцов изучена с помощью атомно-силовой микроскопии.
Ключевые слова: кремний, ионная имплантация, цинк, наночастицы, оксид цинка. БО1: 10.7868/80207352815030166
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время проведены исследования свойств наночастиц металлов и их оксидов в различных полупроводниковых и диэлектрических матрицах, поскольку такие наноструктурирован-ные материалы, благодаря их уникальным свойствам, могут найти применение в различных устройствах микро- и оптоэлектроники [1, 2]. Среди них наночастицы оксида цинка играют особую роль, так как ZnO является прямозонным материалом с шириной запрещенной зоны 3.37 эВ, имеет большую энергию связи (60 мэВ) электрона и дырки в экситоне, обладает ферромагнетизмом уже при комнатной температуре и проявляет сорбционные свойства. Наночастицы ZnO могут быть использованы в таких электронных устройствах, как источники лазерного излучения [3], электролюминесцентные дисплеи [4], газовые сенсоры [5], а также могут применяться в качестве составных элементов солнечных батарей нового поколения на основе органических красителей, так называемых ячеек Грацеля [6].
Наночастицы ZnO могут быть получены, в частности, путем легирования ионами Zn полупроводниковой (кремниевой) или диэлектрической (кварц, сапфир) подложки с последующим отжигом в нейтрально-окислительной атмосфе-
ре. Важная особенность ионного легирования, кроме его чистоты и мобильности, состоит в возможности получать концентрации примесей гораздо выше их предельной равновесной растворимости в подложке. Термообработку в различных вариантах используют не только для отжига радиационных дефектов, но и для зарождения и роста наночастиц металлов и трансформацию последних в оксиды. Внедрение ионов металлов в различные матрицы может привести к выпадению преципитатов металлов или их оксидов в имплантированном слое. Например, при внедрении высоких доз цинка в кремний наночастицы Zn и ZnO образовывали преципитаты при комнатной температуре [7] или при последующем термическом отжиге [8].
Формирование наночастиц в кремнии с примесью цинка уже исследовалось ранее в других лабораториях. Было установлено, что рекристаллизация нарушенного слоя кремния после имплантации цинка может быть проведена не только традиционным термическим отжигом [8—11], но и импульсным лазерным излучением [12], а также с помощью ионных пучков [13]. Процесс, позволяющий создавать наночастицы ZnO с контролируемыми размерами и формой путем внедрения ионов цинка в подложку с последующим
отжигом в различных средах, является важной технологической разработкой.
Ранее нами [14] было исследовано формирование наночастиц ZnO в кремнии после совместной имплантации ионов 64Zn+ и 16O+ и последующих термических отжигов в нейтральной (М2)/инерт-ной (Ar) атмосфере. Исследования проводились методом спектроскопии резерфордовского обратного рассеяния (РОР) ионов Не2+ с энергией 1.7 МэВ с использованием техники каналирова-ния при угле рассеяния 110° относительно направления падающего пучка. Было установлено, что после имплантации вблизи поверхности образуется аморфизованный слой кремния. При термообработках происходят значительные изменения в распределении имплантированного цинка: вначале цинк перемещается в глубь подложки (при отжиге при температуре до 600°C), а при более высоких температурах отжига (выше Т = = 800°C) — к поверхности. После термообработки при температуре 1100°C радиационные дефекты полностью исчезали.
Идентификация состава имплантированного слоя в [14] была проведена методом рентгенофазо-вого анализа при скользящей геометрии в режиме 9—29. После отжигов в температурном диапазоне 600—800°C на дифракционных кривых зарегистрировано появление пика 102 ZnO при угле 46.268°. Размеры наночастиц были оценены с помощью формулы Шеррера [15] D = 0.9V[$cos9B], где X, В и 9В — соответственно, длина волны рентгеновского излучения 1.54Ä, полная ширина на половине высоты (FWHM) пика 102 ZnO и брэгговский угол. Средний размер наночастиц составил около 7 нм.
В настоящей работе представлены дополнительные результаты по исследованию матрицы Si, легированной ионами 64Zn+ и 16O+: изучена структура поперечного сечения имплантированного слоя, приведены уточненные профили имплантированного цинка. Представлены профили имплантированного кислорода, которые ранее не приводились. Исследована морфология поверхности образцов.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Были исследованы образцы, изготовленные по технологии, изложенной в [14]. Визуализация поперечных сечений имплантированных слоев проводилась методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), в том числе высокого разрешения (ВР), в сочетании с микродифракцией на приборе Tecnai G2 20 S-Twin (FEI), оборудованном приставкой EDAX для рентгеновского энергодисперсионного микроанализа. Профили легирующих примесей Zn и О исследовались методом вторично-ионной масс-спектрометрии (ВИМС) с помощью прибора CAMECA IMS-4f. В качестве первичных вначале использовались ионы О2+ с энергией 5.5 кэВ при определении профилей цин-
ка, а затем ионы Cs+ с энергией 14.5 кэВ при определении профилей кислорода. Разрешение масс-спектрометра в обоих случаях составляло M/AM= = 4000. Изменение морфологии поверхности образцов при отжигах изучено с помощью сканирующего туннельного микроскопа Solver P47 (NT-MDT) в режиме атомно-силовой микроскопии (ACM). Для определения фазового состава полученных слоев была использована оже-электронная спектроскопия с использованием сверхвысоковакуумного модуля на основе платформы Nanofab 25 (NT-MDT).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Данные электронно-микроскопических исследований. На рис. 1 представлены ПЭМ-изображе-ния образца после имплантации цинка и кислорода. На рис. 1а видно, что на поверхности кремния образуется аморфизованный слой толщиной около 150 нм. Об аморфизации свидетельствует электронограмма, приведенная вверху справа, представляющая собой чередование размытых дифракционных колец. Под аморфизованным слоем расположен нарушенный слой кремния толщиной до 50 нм. Это подтверждается электронограммой, показанной на вставке к рис. 1б, которая представляет собой серию точечных рефлексов, принадлежащих кремнию, на фоне слабых дифракционных колец. На границе этого слоя с амор-физованным слоем (рис. 1б, в) наблюдается изменение контраста, что свидетельствует о наличии в этом слое скоплений радиационных точечных дефектов (кластеров). На рис. 1в, г приведены изображения границы раздела аморфизован-ного и нарушенного слоев. На вставке к рис. 1в дан фурье-образ аморфизованного слоя в виде гало, а на вставке к рис. 1г приведен фурье-образ нарушенного слоя, представляющий собой серию рефлексов от кремния на фоне слабого гало. Поскольку сначала имплантировали цинк, а затем кислород, на рис. 1г хорошо видны две границы в нарушенном кристаллическом слое кремния.
На рис. 2 представлены ПЭМ-изображения образца после имплантации цинка и кислорода и отжига при температуре 800°C. На рис. 2a представлен панорамный снимок приповерхностного слоя кремния с пленкой оксида кремния толщиной около 10 нм. Над пленкой SiO2 виден слой платины, нанесенный на поверхность образца для снятия заряда. В рекристализованном слое (рис. 2б) наблюдается изменение контраста, что свидетельствует о наличии скоплений радиационных точечных дефектов (кластеров). На рис. 2в, г представлены изображения двух разных областей рекристализованного слоя кремния, который имеет поликристаллическую структуру. На вставках к рисункам приведены фурье-образы, представляющие собой набор рефлексов, характерных для кремния, и гало, свидетельствующее о
Рис. 1. ПЭМ-изображения поперечного сечения приповерхностного слоя кремния после имплантации цинка и кислорода при разном увеличении; на вставках представлены электронограммы для аморфизованного слоя (а), для кристаллического слоя (б) и фурье-образы для аморфизованного слоя (в) и для нарушенного кристаллического слоя (г).
некоторой доли аморфизации этого слоя, а также рефлексы, относящиеся к оксиду цинка.
Вторично-ионная масс-спектрометрия образцов.
На рис. 3 приведено семейство профилей ВИМС для цинка, из которых видно, что сразу после имплантации распределение внедренного цинка имеет максимум концентрации = 2.3 х 1021 см-3 на глубине d = 65 нм, а полная доза имплантации составляет Б\п = 2.0 х 1016 см-2 (рис. 3, кривая 1). После предварительного отжига при 400°С высота этого пика немного увеличивается до значения
= 2.5 х 1021 см-3, его форма и положение прак-
тически не изменяются за исключением более глубоких участков, где концентрация имплантированного цинка немного растет. После отжига при температуре 600°С концентрационный пик цинка в образце (рис. 3, кривая 3) значительно сместился внутрь подложки до глубины d = 135 нм и возрос
до значения И™ =2.7 х 1021 см-3, причем полное содержание имплантированного цин
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.