ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 8, с. 49-56
УДК 548.4
СТРУКТУРА ПРИПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ Si ПОСЛЕ ИМПЛАНТАЦИИ ИОНОВ 64^п+ ПРИ ПОВЫШЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ
© 2015 г. В. В. Привезенцев1, *, В. С. Куликаускас2, В. В. Затекин2, Н. Ю. Табачкова3, С В. Ксенич3
Физико-технологический институт РАН, 117218Москва, Россия 2НИИ ядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, 119234 Москва, Россия 3Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС", 119049 Москва, Россия
*Е-таИ: privezentsev@ftian.ru Поступила в редакцию 17.09.2014 г.
Представлены результаты исследования структуры и состава приповерхностного слоя пластин после имплантации ионов 6^п+ и термических отжигов в кислороде. Имплантация проводилась в подогретую до температуры 400°С подложку. Радиационные дефекты и профили имплантированного цинка и продиффундировавшего в подложку кислорода исследовались методом резерфор-довского обратного рассеяния ионов Не+ с энергией 1.7 МэВ с использованием техники канали-рования. Визуализация имплантированных слоев проводилась с помощью просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения в сочетании с дифракцией электронов и энергодисперсионным микроанализом. Для исследования морфологии поверхности применялась атомно-силовая микроскопия.
Ключевые слова: имплантация ионов цинка в кремний, отжиг, наночастицы, ядро/оболочка. БО1: 10.7868/80207352815080120
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время широко исследуются свойства наночастиц металлов и их оксидов в полупроводниковых и диэлектрических матрицах, поскольку такие материалы могут быть использованы в современных устройствах электроники [1]. Для формирования наночастиц в матрицах наиболее подходит метод ионного легирования. Важная особенность этого метода, кроме точного контроля состава и количества имплантированных примесей, мобильности, состоит в том, что он позволяет получать концентрацию имплантированных примесей, гораздо большую предела их равновесной растворимости в подложке [2]. Температурная обработка используется не только для отжига радиационных дефектов, но и для зарождения и роста металлических и оксидных наночастиц.
Среди таких материалов матрицы кремния с наночастицами цинка и его оксида играют особую роль, поскольку кремний по-прежнему остается основой современной микроэлектроники. Оксид цинка ZnO — прямозонный полупроводник с шириной запрещенной зоны 3.37 эВ. Он имеет большую энергию связи электрона и дырки в экситоне (60 мэВ по сравнению с 28 мэВ в ОаМ), что позволяет получать в матрицах с наночасти-цами ZnO ультрафиолетовое (УФ) излучение с
длиной волны X < 390 нм при температурах до 450°С. Эти структуры могут найти широкое применение в таких современных оптоэлектронных устройствах, как УФ-лазеры и светодиоды [3], электролюминесцентные дисплеи [4]. Возможно их применение и в качестве конструктивного элемента в солнечных батареях нового поколения на основе сенсибилизированных полимерных материалов, так называемых ячейках Грацеля [5], в газовых сенсорах [6], а также устройствах спинтроники, так как ZnO обладает ферромагнетизмом при комнатной температуре. Для эффективного применения наночастиц ZnO важно контролировать их размер и форму при синтезе. Возможность управления процессом получения такого материала и его микроструктурой исследуется в данной работе.
Наночастицы ZnO в кремниевой матрице могут быть сформированы термообработкой в инертно-окислительной среде подложек 81, содержащих наночастицы металлического Zn. Последние могут быть получены путем легирования ионами Zn кремниевой подложки и последующего отжига [7—10]. Получаемые при этом концентрации цинка в кремнии могут быть гораздо больше их равновесной растворимости в кремнии, которая составляет 6 х 1016 см-3 [11] при температуре диффузии 1250°С.
4
49
(а)
2000
- Si-Zn-400
- Si-400-a Si-Zn-400-a Si-Zn-800-a
- Si-Zn-1000-a
Н (U
5
1000 -
100 200 300 400 500 600 700 Номер канала
(б)
2000
ё 1000 и
1 -Si-Zn-400
4 -Si-Zn-800-a
4 — Si-Zn-900-a
5 Si-Zn-1000-a
1
5
4
J¿j^ \ N \ ч\
Xbls .
600
700
Номер канала
Рис. 1. Спектры РОР для образца Si(Zn) (а) и профили цинка (б): 1 и 2 - исходный образец Si; 3 - после имплантации ионов Zn+ при 400°C; 4, 4*, 5- после отжигов при Т = 800°C (4), 900°C (4*), 1000°C (5). Спектры 2-5сняты в условиях каналирования.
0
0
В настоящей работе представлены результаты исследования структуры, состава и свойств приповерхностного слоя Si, имплантированного ионами 64Zn+ при температуре подложки 400° C и отожженных в окислительной среде в интервале температур 600-1000°C.
ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТА
Для исследования были использованы пластины монокристаллического кремния n-типа, выращенные по Чохральскому, толщиной 350 мкм с ориентацией (100) и концентрацией электронов яе = 5 х 1015 см-3. Пластины были имплантированы ионами цинка 64Zn+ дозой D = 5 х 1016 см-2 с энергией E = 50 кэВ. Пучок ионов цинка диаметром 3 мм и плотностью ионного токаj < 0.5 мкА/см2 сканировал поверхность пластин под углом 7°. Перегрев пластин из-за воздействия на пластину Si ионного тока при имплантации был небольшой, температура подложки поддерживалась во время имплантации около 400°C. Затем пластины были последовательно изохронно, в течение одного часа отожжены в окислительной среде при температуре от 600 до 1000°C.
Огруктура дефектов, профили распределения имплантированного цинка и продиффундиро-вавшего в подложку кислорода были исследованы методом резерфордовского обратного рассеяния (РОР) ионов He+ с энергией 1.7 МэВ и углом рассеяния 9 = 110° на генераторе ван де Граафа с использованием техники каналирования.
Анализ поперечных сечений имплантированных слоев проводился методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), в том числе высокого разрешения, при ускоряющем напряжении 200 кВ в сочетании с электронографией и
фурье-анализом на микроскопе JEM-2100 (JEOL). Для исследования элементного состава образцов использовалась приставка для энергодисперси-онноого микроанализа (ЭДМА). Образцы готовили по методике фирмы Gatan: вначале с имплантированной стороны с помощью ультразвуковой резки изготавливали диск диаметром 3 мм, в центральной части которого формировали лунку. Для окончательного утонения образца использовали травление его пучком ионов аргона.
Топография поверхности образцов была исследована методом сканирующей туннельной микроскопии на приборе Solver P47 (NT-MDT) в режиме атомно-силовой микроскопии (ACM).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Ориентированные и неориентированные экспериментальные спектры РОР ионов He+ приведены на рис. 1а. На рис. 1б в увеличенном масштабе (х2) показаны спектры РОР для зоны имплантированного цинка. Сравнивая спектры РОР 1 и 2 на рис. 1а, видим, что аморфизации приповерхностного слоя после имплантации не происходит, но образуется нарушенный радиационными дефектами слой, на что указывает "горб" вблизи границы рассеяния кремнием около 570 канала. Толщина нарушенного слоя по оценкам составляет 200 нм. По мере отжига величина "горба" уменьшается, что свидетельствует о постепенном залечивании радиационных дефектов, причем форма спектра приближается к спектру РОР для неимплантированного цинком кремния (спектр 2). На рис. 1а в увеличенном масштабе (х2) приведены спектры зоны рассеяния цинком, из которых по программе SIMNRA [12] были рассчитаны профили распределения Zn после имплантации и соответствующих отжигов. Из эксперимента следует, что после имплантации кри-
н
св
Й
N
«
Я
се &
я
о Я
я
о
а
20
15
10
(а)
0.05 0.10 0.15 х, мкм
-гп, 400 гп, 600 гп, 800 -гп, 900 - гп, 1000
0.20
^ 70 Й 60
«
я я
а л н я
о
я я
о
а
50 40 30 20 10
(б)
--
\ '-..5
4
" 3 \ '. \
У'\2 \
" 1\ ''
1-О, 400
2------- О, 600
3 О, 800
4-------О, 900
3-------О, 1000
0.1 х, мкм
0.2
Рис. 2. Профили гп (а) и О (б) после имплантации ионов гп+ при Т = 400°С (1) и отжигов в кислороде при температурах 600°С (2) С, 800°С (3), 900°С (4) и 1000°С (5).
5
0
0
вая распределения имплантированного цинка
имеет максимум при ё = 90 нм, в котором №п(^т) = = 11 ат. % (рис. 2а, кривая 1). Из экспериментальных спектров РОР была рассчитана и общая реальная концентрации имплантированного цинка, которая составила Бт = 3.4 х 1016 см-2.
После первого отжига при температуре 600°С распределение имплантированного цинка практически не изменилось (рис. 2, кривая 2). После второго отжига при температуре 800°С общий профиль имплантированного цинка смещается внутрь
подложки, так что максимум —^Ч^) = 10 ат. % располагается на глубине 100 нм, практически без изменения общего количества имплантированного цинка (рис. 2а, кривая 3). После третьего отжига при температуре 900°С весь профиль цинка несколько расширился и сместился к поверхности подложки так, что поверхностная концентрация
цинка составила -™8(0) = 6 ат. %. В распределении цинка наблюдается два максимума: один на поверхности, а другой на глубине 90 нм. При этом общая концентрации имплантированного цинка уменьшилась до значения Б3 = 2.9 х 1016 см-2. После четвертого отжига при температуре 1000°С в концентрационном профиле цинка произошли заметные изменения. Во-первых, профиль цинка стал представлять собой резко спадающую от поверхности до глубины 80 нм кривую с максимумом на поверхности 8.5 ат. %. Наблюдается и слабый спад в глубину от 80 до 190 нм в пределах 1 ат. %. Общее содержание имплантированного цинка при этом уменьшилось до значения Б4 = 2.8 х 1016 см-2. Поскольку после ионного легирования и в течение всех отжигов объемная концентрация гп вблизи максимума была значительной (порядка 1 х 1021 см-3), можно предположить, что цинк образует преципитаты вблизи этих концентрационных максимумов.
На рис. 3 приведено светлопольное ПЭМ-изоб-ражение поперечного сечения образца кремния после имплантации цинка. На поверхности пластины хорошо виден нарушенный слой толщиной около 200 нм. Судя по наблюдаемому локальному изменению контраста, возможны искажения кристаллической решетки, о
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.