МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2007, том 36, № 2, с. 116-123
ХАРАКТЕРИЗАЦИЯ МАТЕРИАЛОВ ^^^^^^^^^^ И МИКРОСТРУКТУР
УДК 538.975
СТРУКТУРНЫЕ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛЕНОК НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ, ПОЛУЧЕННОГО МЕТОДОМ PECVD. СРАВНЕНИЕ С ПОРИСТЫМ КРЕМНИЕМ
© 2007 г. В. А. Викулов, В. В. Коробцов
Институт Автоматики и процессов управления ДВО Российской АН E-mail: mailto:vikulov@mail.dvo.ru Поступила в редакцию 29.03.2006 г.
Проведены сравнительные комплексные исследования пленок нанокристаллического кремния (nc-Si), полученного методом плазмостимулированного химического осаждения из газовой фазы, и пористого кремния, полученного методом электрохимического травления. С помощью рентгено-структурного анализа показано, что осажденные пленки nc-Si представляют собой хорошо ориентированную вдоль (004)-плоскости систему нанокристаллов со средними размерами 4.8 нм. Методом атомной силовой микроскопии установлено, что пленки nc-Si имеют высокоразвитую наноразмерную конусоподобную поверхность. Обнаружена фотолюминесценция слоев nc-Si при комнатной температуре с максимумом при 1.55 эВ. Исследованы оптические свойства nc-Si и пористого кремния в видимом и инфракрасном диапазоне спектра. Установлена строгая корреляция между физико-химическими свойствами nc-Si и пористого кремния.
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время внимание исследователей микроэлектроники привлечено к нанокристалли-ческим и пористым структурам, обладающим уникальными физико-химическими свойствами, существенно отличающимися от свойств монокристаллических материалов. Один из примеров таких структур - пористый кремний, получаемый методом электрохимического травления кремниевых подложек в различных электролитах [1, 2]. Высокоразвитая адсорбционная поверхность позволяет использовать слои пористого кремния в био- и химической сенсорике [3, 4]. Эффекты ре-эмиссии и рассеяния излучения, наблюдаемая фото- и электролюминесценция пористого кремния в видимом диапазоне спектра при комнатной температуре находят применение в оптоэлектро-нике [5-7]. Однако процесс получения пористых кремниевых структур в различных электролитах является "влажным", т.е. нетехнологичным. Поэтому получение и исследование нанокристалли-ческих материалов, идентичных по своим физико-химическим свойствам пористому кремнию и полученных современными "сухими" высокотехнологичными методами, носят фундаментальный характер.
Известно, что нанокристаллический кремний был получен различными методами, такими как: ионная имплантация [8], реактивное распыление [9] и модификациями химического осаждения из паровой фазы (HWCVD, LPCVD, LICVD) [10-12]. Известно также, что метод плазмостимулированного химического осаждения из паровой фазы
(PECVD) использовался для получения люминесцентных нанокристаллических кремниевых пленок [13]. Однако комплексное сравнение физико-химических свойств пе^ и пористого кремния проведено не было.
Целью предлагаемой работы является исследование структурных, люминесцентных и оптических свойств пленок нанокристаллического кремния, сформированных на Si-подложкаx методом PECVD, и демонстрация идентичности определяемых свойств пе^ с физико-химическими свойствами пористого кремния, полученного методом электрохимического травления.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В качестве подложек использовали пластины монокристаллического кремния (с^) с ориентацией (100) и удельным сопротивлением 10 Ом • см. Перед формированием слоев подложки выдерживали в течение 40 с в 10%-ном водном растворе плавиковой кислоты (ОТ), затем промывали в де-ионизированной воде и высушивали в атмосфере азота.
Слои пористого кремния изготавливали стандартным методом [14] в спиртовом растворе ОТ с последующей промывкой в дистиллированной воде и сушкой потоком N2. Осаждение пленок пс^ проводили в реакторе PECVD в высокочастотной (13.56 МГц) плазме газовой смеси SiH4/H2 при постоянном отношении силана и водорода 1/10. Экспериментальная установка PECVD детально описана в работе [15]. При осаждении пле-
нок методом PECVD постоянными параметрами являлись: температура подложек (350°C), мощность ВЧ-разряда (150 Ватт) и рабочее давление в реакторе (0.8 Торр). Время осаждения изменялось от 20 до 360 мин.
Измерение толщины пленок пористого кремния и nc-Si проводили с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM Philips XL30) и профилометра (Tencor Alpha-step 500). Скорости роста слоев пористого кремния и nc-Si составляли
60 Â с-1 и 15 Â мин-1 соответственно.
Определение структуры пленок, сформированных PECVD методом, проводили на дифракто-метре ROTAFLEX RU-200B с источником рентгеновского излучения Cu Ka1. Морфологические особенности поверхностей слоев nc-Si наблюдали на атомном силовом микроскопе (АСМ) Autoprobe CP/M5 в контактном режиме. Фотолюминесцентные свойства слоев nc-Si исследовали на спектрофотометре Perkin-Elmer LS-50B с ксено-новой лампой, служившей источником излучения. Химический состав слоев nc-Si и пористого кремния определяли с помощью ИК-спектрофо-тометра Perkin-Elmer-2000. Спектры отражения в видимом диапазоне регистрировали спектрофотометром Specord-M-80 в режиме зеркального отражения без использования интегрирующей сферы. Все исследования проводились при комнатной температуре.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Рентгеноструктурный анализ
На рис. 1 представлены спектры рентгеновской дифракции кремниевой подложки и пленок, сформированных методом PECVD. Спектр подложки имеет резкий рефлекс при 20 = 69.13°, соответствующий (004)-плоскости монокристаллического кремния. При увеличении времени осаждения пленок наблюдаемый рефлекс трансформируется с изменением полной ширины на половине высоты (FWHM) и положения дифракционного максимума. Мы полагаем, что увеличение FWHM рефлекса связано с наличием в пленках кремниевых кристаллов с размерами порядка нескольких нанометров. Важно отметить отсутствие в дифракционных спектрах осажденных пленок дополнительных рефлексов, соответствующих другим кристаллографическим направлениям. Следовательно, можно предположить, что осажденные слои содержат нанокристаллы, строго ориентированные вдоль (004)-плоскости. Как и в случае с пористым кремнием, полученным методом электрохимического травления, ориентация нанокристаллов совпадает с кристаллографической ориентацией Si-подложки. Используя известную формулу Шеррера [16], мы оценили размер нанокристал-
лов, который составлял в среднем 4.8 нм. Обработка дифракционных спектров образцов пе^ показала, что положения максимумов рефлексов смещены в сторону увеличения углов дифракции. Поскольку угол дифракции в кристаллах обратно пропорционален постоянной решетки, смещение максимума в сторону больших значений углов указывает на уменьшение постоянной решетки. Поэтому можно сделать вывод, что постоянная решетки нанокристаллов в пленках пе^ меньше таковой для кремниевой подложки. Следовательно, в осажденных пленках присутствует внутренняя деформация сжатия, в отличие от деформации растяжения, присутствующей в пористом кремнии [17]. На вставке рис. 1 показано, что рассчитанное несоответствие значений постоянных решеток пе^ и Si-подложки (Да/а) возрастает при малых и стремится к насыщению при достаточно больших толщинах пленок пе^. Это указывает на то, что с увеличением времени осаждения внутренняя деформация сжатия в пленках пе-Si стабилизируется.
Таким образом, полученные данные позволяют сделать вывод, что осажденные методом PECVD кремниевые пленки являются хорошо сформированной, ориентированной вдоль (004)-плоскости системой нанокристаллов.
Исследование морфологии поверхности
Известно, что наличие внутренней сжимающей деформации стимулирует увеличение рельефа поверхности кристаллических материалов [18]. Согласно данным рентгеноструктур-ного анализа, можно предположить увеличение рельефа поверхности с ростом толщины осажденных пленок пе^.
На рис. 2 представлена эволюция рельефа поверхности пленок пе^ со временем осаждения. Видно, что поверхность слоев состоит из массива наноразмерных конусоподобных образований. Следует отметить, что с увеличением толщины размеры этих образований увеличиваются и, соответственно, увеличивается площадь поверхности пленок пе^. По данным АСМ была определена величина среднеквадратичной шероховатости поверхности (Ягт!1). Отмечено возрастание значения Я1,тб, от 2 до 13 нм с увеличением времени осаждения пе^. (рис. 1, вставка). Увеличение площади поверхности и Ягтб, с увеличением толщины слоя является характерным для пористого кремния [19].
Фотолюминесцентные свойства
Известно, что в пористом кремнии увеличение Ягт,, соответствующее увеличению высоты островков пористого кремния, увеличивает интенсивность фотолюминесценции [19]. Таким обра-
20, град
Рис. 1. Спектры рентгеновской дифракции Si-подложки и пленок пе^ (спектры разнесены по вертикали для разборчивости). На вставке показаны результаты анализа дифракционных спектров и АСМ-изображений для пленок с различными толщинами.
зом, следует ожидать увеличения интенсивности минесценции образцов с разной толщиной слоя фотолюминесценции и для осажденных пленок пе-Б^ измеренные при комнатной температуре. пе-Бь На рис. 3 представлены спектры фотолю- Все образцы проявляют люминесцентные свой-
20
16
и
о
к
о &
к к я к о а
к 12 к к £
ч о н о
■е
л н о о к я
к о н к К
1.5 1.6
Энергия фотонов, эВ
Рис. 3. Спектры фотолюминесценции при комнатной температуре пленок пе-Б1 с толщинами 30 нм (а), 190 нм (б), 280 нм (в), 470 нм (г) и 560 нм (д).
2400
2200
2000
1400
1200
1000
800
600
400
2400 2200 2000 1400 1200 1000 800 600 400
Волновое число, см-1
Рис. 4. Типичные спектры ИК-пропускания пористого кремния (а) и осажденных пленок пе-Б1 (б).
Коэффициент отражения, % 80
60
40-
20
200
300
400
500
600 700
Длина волны, нм
Рис. 5. Спектры отражения пористого кремния (а) и осажденных пленок пе^ с толщинами С: 30 нм (б), 190 нм (в), 280 нм (г) и 560 нм (д).
0
ства в диапазоне энергий, большем энергии ширины запрещенной зоны кремния. При этом интегральная интенсивность фотолюминесценции возрастает с ростом толщины пленок. Обработка спектров ФЛ дала значения максимумов излуч
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.