ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, < 4, с. 57-64
УДК 535.345.1:538.971
ОСОБЕННОСТИ И ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ МЕТОДОМ МАГНЕТРОННОГО НАПЫЛЕНИЯ ПРОЗРАЧНЫХ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ СЛОЕВ 1ТО И ИХ СВОЙСТВА
© 2004 г. С. П. Яковлев1, И. П. Сошников2, В. В. Кораблев1, Д. С. Полоскин2, М. А. Яговкина2
1Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, Санкт-Петербург, Россия 2Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург, Россия
Поступила в редакцию 10.10.2003 г.
Проведены исследования формирования слоев 1ТО методом магнетронного осаждения и их свойств. Изучено влияние типа и структуры подложки на структуру пленок. Обнаружено, что при осаждении на монокристаллические подложки пленки являются текстурированными. Изучается влияние состава рабочего газа, ростовой температуры и постростового отжига на сопротивление пленок. Показано, что процессы формирования электропроводящих пленок носят активационный характер при значении энергии активации Еа = 0.75 эВ. Проведено исследование распыления пленок 1ТО ионами аргона с энергиями от 0.2 до 0.7 кэВ. Исследовано влияние ионного распыления на морфологию при распылении под различными углами и с различными энергиями. Изучены зависимости коэффициента распыления от энергии и угла падения частиц. Из графиков энергетической зависимости коэффициента распыления определена энергия поверхностной связи, которая равна 3.65 эВ.
ВВЕДЕНИЕ
Одной из актуальнейших задач в современной физике полупроводников и оптоэлектронике является создание оптоэлектронных приборов с вертикальным вводом и выводом излучения (фото-, светодиодов и лазеров ) [1, 2]. Один из возможных путей создания таких приборов связан с оптически прозрачными электропроводящими контактными слоями [3-5]. К числу наиболее перспективных материалов, применяемых для таких целей, относится оксид индия легированный оловом [6, 7] (In2O3:Sn, indium tin oxide - ITO). В настоящей работе приводятся результаты исследований формирования слоев ITO методом магнетронного осаждения, а также рассматриваются возможности модификации их свойств при отжиге и облучении ионами аргона.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Образцы пленок 1ТО толщиной до 0.7 мкм наносились методом магнетронного напыления на подложки ваЛв (001), (001), предметное стекло на установке ВУП-5М, оснащенной стандартным магнетроном постоянного тока (8БЬМ1, г. Сумы, Украина). В качестве мишени использовалась пластина поликристаллического 1ТО толщиной 2 мм и диаметром 41 мм. Остаточное давление в рабочей камере составляло ~10-4 Па. Рабочее давление в камере при напылении поднималось до 1-10 Па. В качестве рабочего газа использовались смеси аргон-кислород различного состава с содержани-
ем кислорода от 0 до 50%. Плотность мощности при работе магнетрона достигала W ~ 5 Вт/см2.
Отжигали образцы после осаждения на специальном модуле, позволяющем проводить процесс, как в атмосфере рабочих газов, так и в вакууме при остаточном давлении не хуже 1.5 ■ 10-4 Па. Модуль позволял вести нагрев образца со скоростью 500 град/мин, а охлаждение - до 200°С со скоростью 400 град/мин.
Анализ структуры полученных пленок проводился на дифрактометрической системе "Ое1§ег-Иех" Б/шах-ЯС (Ш§акц, Япония). Использовалось монохроматизированное излучение Си^а (к = = 1.5405 А). Обработка рентгенограмм и расшифровка фазового состава проводилась с помощью специального программного комплекса. Исследования морфологии поверхности и поперечного сечения образцов проводили на сканирующем электронном микроскопе СашБеап 84-90РБ. Электрофизические свойства с помощью эффекта Холла изучали на специальной установке. Измерения поверхностной проводимости осуществлялись омметром. Контакты изготавливались термическим напылением золота в установке ВУП-5М (8БЬМ1 г. Сумы, Украина).
Облучение образцов проводилось на специальной установке с источником ионов аргона, обеспечивающим деионизованный монохроматический пучок с энергией от 0.2 до 1 кэВ, диаметром около 50 мм и плотностью потока частиц порядка 1015 част./см2 ■ с. Остаточное давление в рабочей камере составляло не выше 1.5 ■ 10-4 Па и поднималось до 1.5 ■ 10-2 Па при напуске аргона в
Рис. 2. Рентгенодифракционная кривая качания для пленки 1ТО толщиной 0.5 мкм, осажденной методом магнетрон-ного напыления на подложку (100) при температуре 200°С.
источник ионов. Детальное описание источника ионов приведено в работе [8]. Плотность потока частиц и флуенс определялись по глубине травления эталонного образца ваЛ8, коэффициент распыления которого известен из литературы [9-12]. Для измерения глубины травления часть образца при экспозиции под пучком маскировалась. После травления маска удалялась и высота полученной ступеньки измерялась на профилометре ББКТЛК 3030. Отметим, что для изучения угловой зависимости коэффициента распыления образцы располагались на специальных наклонных столиках так, чтобы ось наклона совпадала с кристаллографической осью подложки [110].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 представлены микрофотографии морфологии поверхности и поперечного сечения образца со слоями 1ТО, осажденными на кремниевую подложку при температуре подложки 200°С, после вакуумного отжига при температуре
500°С в течение 1 мин. Как видно, характерный размер микрокристаллитов составляет примерно 50100 нм.
Результаты исследования методами рентгеновской дифрактометрии показывают, что пленки, осаждаемые на монокристаллические кремниевые подложки или подложки арсенида галлия, являются текстурированными. Пример дифракционной кривой качания для пленки 1ТО на кремниевой подложке с текстурой приведен на рис. 2. Пик в области 20 = 51.5° свидетельствует, что эта пленка имеет текстуру по направлению (440). Пленки, выращенные на стекле, являются поликристаллическими и не имеют выделенного направления. Отметим, что характер структуры (текстура и степень текстурированности) зависит от температуры роста и типа используемых подложек.
Анализ электронно-микроскопических изображений поперечных сечений и морфологии поверхности пленок 1ТО показывает, что для пленок толщиной менее 100 нм увеличение ростовой
Размер микрокристаллитов, нм
120 90 60 30
а 1 ■ 2
0 50
100
150
200
250 Тр, °С
Рис. 3. Зависимость латеральных размеров микрокристаллитов от температуры роста для пленки 1ТО толщиной 700 (1) и 100 (2) нм.
Я, Ом
103
102
101
50 100 150 200 250 300
Тр,°С
Рис. 4. Зависимость сопротивления от температуры роста до (1) и после (2) отжига при 500°С пленок 1ТО.
температуры ведет к уменьшению размеров микрокристаллитов, а при толщине выше 300 нм, наоборот, наблюдается увеличение размеров микрокристаллитов (рис. 3). Такое различие в поведении пленок в зависимости от толщины хорошо объясняется в рамках кинетической теории заро-дышеобразования и коалесценции [13, 14]. При малых толщинах пленок структурные напряжения малы, а формирующиеся зародыши с размерами ниже критического диссипируют. По достижении некоторой критической толщины формирующиеся микрокристаллиты, наоборот, становятся больше критического размера зародыша и могут коалес-цировать друг с другом. Критические размеры микрокристаллитов и толщин зависят от температуры. Ранее подобный эффект на пленках 1ТО наблюдался в работе [15].
Результаты измерений эффекта Холла образцов с пленками после осаждения показывают значения подвижности | = 10 см2/В ■ с-1 и концентрации носителей заряда п ~ 1021 см-3. При изменении содержания кислорода в рабочем газе от 0 до 50% при магнетронном осаждении наблюдается снижение плотности носителей от 1 ■ 1021 до 1 ■ 1020 см-3 и небольшое уменьшение подвижности до 2-4 см2/В ■ с. Кроме того, в зависимости от нагрева образца в диапазоне температур от комнатной до 250°С наблюдается снижение удельного сопротивления пленок. Полученные данные по зависимости электрофизических параметров температуры образцов представлены на рис. 4. Анализ зависимости сопротивления от температуры роста показывает, что она описывается выражением:
энергии активации процесса при изменении температуры роста равно Еа = 0.75 эВ. Отметим, что сопротивление пленок слабо зависит от типа под-
200 300 400 500 600 700
Т °С
отж' ^
п, см-3 • 1020 10
300
400
500
см2/В • е 16 14 12 10 8 6 4 2
600 0
Тр, °С
Р ~ ехр (-Еа/3кТ),
где Р - измеряемый параметр (сопротивление); Еа - энергия активации. Полученное значение для
Рис. 5. Зависимость поверхностного сопротивления (а) концентрации (1) и подвижности носителей (2) (б) в пленке ГГО толщиной 400 нм, выращенной при температуре 200°С на кремнии, от температуры отжига длительностью 1 мин.
0
Я, Ом ^ 500
400 300 200 100 0
а 1 • 2
V 3 □ 4
300 350 400 450 500 550 600
т °с
ОТЖ' ^
Рис. 6. Зависимость поверхностного сопротивления отожженной пленки 1ТО от температуры отжига после осаждения (1) и после выдержки на воздухе при комнатной температуре 10 (2), 20 (3), 30 (4) сут.
ложки, наличия и степени текстурированности пленок.
Исследование влияния постростового отжига на характер структуры пленок 1ТО и размеры микрокристаллитов показывает, что при отжиге в вакууме пленок, выращенных при различных температурах, не наблюдается существенных изменений размеров микрокристаллитов. В то же время электрофизические свойства пленок 1ТО под влиянием отжига сильно меняются. Известно, что электрические свойства оксида индия в основном обусловлены присутствием в этом материале большого количества кислородных вакансий [16, 17]. Каждая кислородная вакансия поставляет в зону проводимости два электрона. Поэтому можно ожидать, что отжиг в вакууме, способствуя образованию дополнительных кислородных вакансий, приведет к существенному увеличению концентрации носителей заряда и, следовательно, проводимости как оксида индия, так и 1ТО. Поставленный нами эксперимент подтверждает это
предположение. Графики зависимостей поверхностного сопротивления, концентрации носителей и подвижности от температуры отжига приведены на рис. 5. Небольшое уменьшение подвижности можно объяснить увеличением рассеяния носителей на ионизованных атомах примеси из-за термической активации атомов ол
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.