МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2012, том 41, № 6, с. 413-425
НАНОМЕТРОЛОГИЯ
УДК 548.732
ХАРАКТЕРИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ И ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МИКРОННЫХ ПОРИСТЫХ СЛОЕВ НА ПОДЛОЖКАХ ЛЕГИРОВАННОГО
СУРЬМОЙ КРЕМНИЯ © 2012 г. А. А. Ломов1, М. А. Чуев1, В. А. Балин1, Б. В. Набатов2, А. Л. Васильев2
1 Физико-технологический институт Российской АН E-mail: andlomov@mail.ru 2 Институт кристаллографии Российской АН Поступила в редакцию 24.01.2012 г.
Методами двухкристальной рентгеновской дифрактометрии и рефлекторметрии, растровой электронной микроскопии и инфракрасной спектроскопии в диапазоне частот 4000—12000 см-1 выполнены исследования реальной структуры и оптических свойств микронных слоев пористого кремния на подложках Si(111) (Sb). Слои пористого кремния формировались методом электрохимического травления при токе 50 ма/см2 в смеси плавиковой кислоты и этанола в соотношении 1 : 1. Определены структурные параметры слоев: толщина от 6-66 мкм, средняя деформация «4.5 х 10—4 и плотность «0.72. Показано, что исследуемые пористые слои только в некотором приближении можно считать однородными. Оптические спектры пропускания проанализированы в рамках модели эффективной среды и оценена величина показателя преломления n подложки. Установлено, что подложки Si(111) (Sb) имеют ярко выраженную область прозрачности в спектральном диапазоне 1.05— 1.5 мкм. Для восстановления дисперсии оптических констант по спектрам пропускания предложена методика, основанная на математической обработке с учетом реальных геометрических и физических параметров нескольких спектров пропускания путем минимизации функционала %2. Обсуждаются возможности использования предлагаемой методики для определения оптических характеристик тонких слоев и гетероструктур.
1. ВВЕДЕНИЕ
Несмотря на широкое применение кремния в микроэлектроники некоторые его физические свойства: величина подвижности основных носителей, отсутствие электролюминесценции в видимой области спектра, тормозят его использование в высокочастотной электронике и фотонике по сравнению с материалами группы А3В5. Развитие технологических приемов обработки поверхности привело к появлению нового класса материалов — микро (нано)-, мезо- и макро-пористых полупроводников. Пористый кремний (ПК) формируется, в частности, методом электрохимического травления (ЭХТ) в режиме анодирования поверхности подложек в растворе на основе плавиковой кислоты и этанола [1]. Первоначально слои пористого кремния использовались для получения плотных окисных слоев в структуре кремний на изоляторе и МОП-структурах. Исследования таких слоев и многослойных структур показали, что свойства этого материала далеко не исчерпаны. Большой интерес к микропористому кремнию возник после демонстрации Канхэном в 1990 г. фотолюминесценции и электролюминесценции в видимом диапазоне частот при комнатной температуре. Обнаружение этих эффектов
стимулировало работы по замене металлических соединений в многоуровневых интегральных схемах на оптические. Прогнозируется, что это позволит повысить быстродействие кремниевых схем до гигагерцового диапазона. Например, в [2] показано, что создание светоизлучающих элементов и фотоприемников из пористого кремния позволяет решить эту задачу. Использование пористого кремния для оптических приложений поднимает вопрос о значениях его оптических констант, поскольку этот материал обладает разнообразными "необычными" электронными и оптическими свойствами [3]. Для кремния с высоким удельным сопротивлением дисперсионная зависимость показателя преломления п и поглощения к хорошо известны [4]. В то же время слои пористого кремния формируют на различных по ориентации, составу и величине легирования подложках. В связи с этим возникает вопрос не только о величинах оптических констант, но и о реальной структуре самих пористых слоев, конфигурации кристаллитов, формы пор и т.д. Все эти характеристики сильно зависят от многих параметров формирования пористых слоев (удельной проводимости, ориентации, типа подложки, состава электролита, наличия дополнительного
освещения и его поляризации, внешнего магнитного поля и т.д.). Так в [5] установлено, что на показатель преломления ПК значительно влияет кроме величины пористости степень легирования исходной кремниевой подложки.
Пористый кремний — это материал, состоящий из когерентных в той или иной степени кремниевых кристаллитов, составляющих скелет, и пустот (пор), частично заполненных продуктами анодирования и абсорбции примесей из воздуха. Поэтому средние величины п и к равны промежуточным значениям для вакуума и материала подложки. Отличие в величине этих параметров приводит к появлению интерференционных биений на спектральных кривых прохождения и отражения для структур пористый слой-подложка. Математическая обработка этих спектров дает возможность получить дисперсионные параметры. Попытки извлечь значения п и к из измеренных оптических данных сопряжены со многими проблемами [5, 6]. Поскольку длина волны оптического излучения для микро- и мезопористого кремния значительно превышает размеры пор то используют модель однородной эффективной оптической среды [7]. Наиболее широко используемой является модель Бруггемана [8]. Необходимо отметить, что пористый кремний можно, в некотором приближении, рассматривать как однородный только в латеральном направлении. В нормальном к поверхности направлении величины п и к могут сильно меняться в приповерхностном слое и переходном слое ПК-подложка из-за колоссальной чувствительности оптических спектров к состоянию среды (анизотропии, деформации и т.д.). Этот факт необходимо учитывать в анализе экспериментальных данных, несмотря на малую толщину этих слоев.
Поскольку в оптическом диапазоне показатель преломления и толщина слоя являются связанными параметрами, то для корректного восстановления дисперсии п и к важно знать толщины слоев ПК и их плотность. Эти структурные параметры слоев могут быть получены с привлечением методов высокоразрешающей рентгеновской дифрактометрии. Одним из преимуществ рентгеновских методов является их слабое взаимодействие с веществом. В результате величина показателя преломления пг в рентгеновском диапазоне меньше 1 на величину ~10-6. Это упрощает решение обратной задачи восстановления электронной плотности по толщине слоя [9]. В случае тонких слоев наблюдаемые осцилляции на кривых отражения позволяют однозначно судить о толщине слоя. При толщинах пористых слоев в несколько микрон и более осцилляции на кривых
отражения рентгеновских лучей не наблюдаются из-за размытости границ. Для определения толщины слоя ПК в [10] были использованы данные по абсорбции и показано, что профиль деформации по глубине даже для "однородного" слоя не является прямоугольным. Этот существенный факт обычно замалчивают. В связи с этим, использование модели однородной эффективной среды не является корректным.
Настоящая работа посвящена разработке методики восстановления оптических констант по глубине слоев пористого кремния на основе использования данных рентгеновской дифракции и рефлектометрии и оптических спектров пропускания.
2. ЭКСПЕРИМЕНТ
Для экспериментов были приготовлены две группы образцов. Образцы первой группы с размерами 10 х 10 мм и различной толщиной 185—350 мкм были изготовлены из стандартных подложек Si(111) толщиной 350 мкм (я-тип, легирование Sb с концентрацией ~1019 см-3, удельное сопротивление р ~ 0.01 Ом см). Утонение исходных подложек осуществлялось в полирующем травителе СР-4А. У второй группы образцов, изготовленных из таких же стандартных подложек Si(111), на поверхности были сформированы слои пористого кремния методом ЭХТ Анодирование подложек через диафрагму диаметром 10 мм осуществлялось при постоянном токе 50 мА/см2 во фторопластовой двухкамерной ячейке с платиновыми электродами. Электролитом служил раствор на основе этанола и плавиковой кислоты в соотношении 1 : 1. Продолжительность времени анодирования ta варьировалась от 1 до 16 мин.
Структурная диагностика полученных образцов была проведена рентгеновскими методами кривых дифракционного отражения (КДО), кривых рефлектометрии (КР) и растровой электронной микроскопии (РЭМ). Рентгенодифракционые и рефлектометрические исследования выполнялись на автоматизированном трехкристальном рентгеновском спектрометре ТРС-1 (СКБ ИКРАН) при использовании излучения в диапазоне 0.070.19 нм. Двухкристальные КДО от образцов ПК записывались для отражения 111 с использованием плоского кристалла монохроматора Si(111). Запись кривых рефлектометрии проходила в режиме 9/29-сканирования с установленной перед детектором щелью 120 угл. с.
Контроль за толщиной пористых слоев образцов осуществлялся методом растровой электронной микроскопии. Изображения образцов полу-
I, 104, имп/с
А |i
1 1 PS | I S 1 I Л ' 1 \ | 1
- \ 1 1 /1 I 1 1 1 1 S1 | л I 1 / V
8 S
и л ! /7 М 1 / V
S16 / / \\
У/ ___—-уу' ' / Д., V У ' V / ✓ NX ХЛ4 1- - - - 1 —- ■■ ■ 1
-80
-40
40
AS, угл. с
Рис. 1. Экспериментальные кривые дифракционного отражения от образцов S1, S8, S16 и исходной подложки S0. S подложка, PS — пористый слой. 111 отражение Si, излучение CuKa.
2
1
0
0
чены на микроскопе JEOL JSM 740Ш при ускоряющем напряжении 5 кэВ.
Величины показателя преломления п и поглощения к исходных подложек и образцов со слоями ПК определялись из анализа спектров пропускания. Измерения выполнялись на спектрофотометре Сагу—5000 (Уапап). Спектры пропускания в ИК диапазоне (к = 0.8—3 мкм) регистрировались при нормальном падении излучения на образец через круглую диафрагму диаметром 5 мм с шагом сканирования 10 нм при спектральной ширине щели детектора 2 нм.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ Дифрактометрия
Кривые дифракционного отражения и рефлек-тометрии от исследуемых образцов, записанные на медном излучении, показаны на рис. 1, 2 соответственно. На рис. 1 видно, что помимо брэгговского максимума от подложки на кривых КДО наблюдается интенсивный и достаточно узкий (ширина на половине высоты A9pS « 30'') максимум (PS) от слоя пористого кремния. Анализ формы и интенсивности максимумов на КДО показывает, что вблизи поверхности п
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.