CC BY
42
УДК 621.382.132
А.М.Светличный, В.В.Поляков, А.А.Шелкунов, Ю.Ю.Бачериков, Н.Л.Дмитрук, Р.В.Конакова, О.С.Кондратенко, О.С.Литвин, В.В.Миленин, О.Б.Охрименко, Л.М.Капитанчук
МОРФОЛОГИЯ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОКСИДНЫХ ПЛЕНОК ГАДОЛИНИЯ, ТИТАНА И ЭРБИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ n-6HSiC
The analysis of all set of the received experimental data has shown, that the method of reception used by us oxide layers of metals on surface SiC allows creating in one process spending and dielectric a film.
Наряду с созданием высоконадежных омических и барьерных контактов актуальной задачей для высокотемпературной электроники на основе карбида кремния является разработка стабильных высококачественных диэлектрических слоев, в том числе на основе оксидных пленок титана, эрбия и гадолиния. Несмотря на широкий спектр технологических возможностей создания оксидных пленок металлов (от анодных до окисления на воздухе или в кислороде, в воде и в водяном паре, в углекислом газе или в различных других газовых смесях [1]) не прекращается поиск хорошо контролируемых, быстрых, с высокой воспроизводимостью параметров методов формирования таких пленок с наперед заданными свойствами. Одним из таких методов является быстрый термический отжиг (БТО) [2], апробированный при формировании оксидных и оксинитридных пленок на поверхности SiC
Цель данной работы состоит в попытке создания с использованием БТО тонких оксидных слоев титана, гадолиния и эрбия на поверхности п-6И-8Ю и исследовании их морфологии и некоторых оптических свойств.
Оксидные пленки металлов получали окислением тонких металлических пленок Т1, Ег и Gd с применением БТО при Т = 623К в течение 1, 3 и 5 с. Толщины оксидных слоев измеряли методом многолучевой монохроматической эллипсометрии. На всех образцах исследовалась морфология покрытия на атомно-силовом микроскопе Мапо8сореШа(В.Г) и измерялись спектры пропускания и фотолюминесценции. Спектры поглощения и фотолюминесценции (ФЛ) регистрировались на установке СДЛ-2 при комнатной температуре. В качестве источника непрерывного спектра для получения спектров пропускания использовалась спектральная лампа СИРШ-200, для возбуждения спектров ФЛ использовалось излучение азотного лазера (Хвозб = 337 нм). Все оптические измерения проводились при комнатной температуре в диапазоне X = 400^800 нм.
Для расчета толщины окисной пленки металла методом многолучевой монохроматической эллипсометрии параметры пленок определяются путем подгонки рассчитанных по модели однослойной пленки на подложке угловых зависимостей поляризационных углов у и Д к экспериментальным зависимостям у(ф) и Д(ф) (рис.1) с помощью разработанной компьютерной программы минимизации специальной целевой функции
где у ехр (ф,) и Д ехр (ф,) — экспериментально измеренные поляризационные углы при угле падения ф,; у ехр (х, ф,) и Дехр (х, ф,) — результаты расчета прямой задачи эллипсометрии для угла ф,- и вектора оптических параметров и толщин слоев х; 8уехр (ф,) и 8Д ехр (ф,) — ошибки измерений; N — общее число используемых углов падения.
[3,4].
52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72
360
340
320
300
280
<и
260 ^
<
240 220 200 180
52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72
Ф, deg.
Рис.1. Угловые зависимости поляризационных углов у и А к экспериментальным зависимостям у(ф) и А(ф). Экспериментальные данные: время окисления 1 с (1), 3 с (2), 5 с (3); теоретический расчет (4)
При этом одной из основных трудностей метода многолучевой эллипсометрии является неоднозначность получаемых при минимизации целевой функции S(x) результатов вне зависимости от точности измерения экспериментальных углов у и А, что требует либо точного выбора начального приближения, либо привлечения дополнительных методов определения некоторых параметров.
Полученные результаты компьютерной оптимизации решения приведены в табл. Из нее видно, что полученный показатель преломления nSlC хорошо согласуется с ожидаемыми усредненным (без учета анизотропии) значением, а показатель поглощения kSlC весьма мал.
Параметры окисных пленок Ег на 8Ю, определенные методом многолучевой эллипсометрии (пох, &ох, йох — показатели преломления, поглощения и толщины пленки оксида Ег соответственно)
Время БТО, с «ox k ox dox, нм nEr kEr «SiC ksiC
1 — 50 0,867 0,097 2,622 0,073
3 1,906 0,039 80 0,906 0,066 2,607 0,052
5 1,910 0,016 60 0,876 0,080 2,614 0,047
При измерении распределения компонентов в структурах оксидный слой металла — карбид кремния методом Оже — электронной спектроскопии оказалось, что значения толщины оксидных слоев металлов совпадают с полученными методом эллипсометрии: при БТО 1 с ~ 60 нм (по данным эллипсометрии ~ 50 нм), при БТО 3 с ~ 75 нм (~ 80 нм), при БТО 5 с ~ 108 нм (~ 60 нм).
Между спектрами поглощения и фотолюминесценции анализируемых структур наблюдается корреляция: по мере увеличения степени окисления металлических пленок увеличивается интенсивность ФЛ в диапазоне 500^800 нм и уменьшается коэффициент погло-
щения во всем исследуемом спектральном интервале. Наиболее ярко эта корреляция проявляется в спектрах поглощения и ФЛ структур окисленная пленка Ег/БЮ (рис.2,3).
нм
Рис.2. Спектры поглощения для структуры окисленная пленка Er/SiC. Время окисления 1 с (1), 3 с (2), 5 с (3)
нм
Рис.3. Спектры ФЛ для структуры окисленная пленка Er/SiC. Время окисления 1 с (1), 3 с (2), 5 с (3)
Как видно из рис.2, в спектрах поглощения наблюдается уменьшение коэффициента поглощения структуры во всем исследуемом спектральном интервале при увеличении времени БТО. Для окисляемых пленок эрбия это можно объяснить ростом толщины оксидной пленки по отношению к недоокисленному металлическому слою. Отсутствие в спектре пропускания исследуемых структур отдельных полос поглощения свидетельствует о невысоких концентрациях примесных атомов (в частности бора и азота) [1,2].
Сравнение спектров ФЛ (рис.3), зарегистрированных со стороны окисленной металлической пленки и со стороны карбида кремния, показало, что спектральный состав полосы люминесценции обусловлен в основном вкладом карбида кремния. Наблюдаемая полоса ФЛ с максимумом в области 630 нм связывается в литературе [5-7] с излучательными переходами в центрах примесь-дефект либо примесь-вакансия (обычно рассматривается вакансия углерода). В более ранней работе [8] эту полосу связывают с рекомбинационными процессами, обусловленными наличием дефектов вблизи поверхности кристалла карбида кремния. Однако, как показали морфологические исследования, окисленные слои металлов, вероятно, неоднородны по фазовому составу. Более явно это выражено в Увеличение времени окисления приводит к росту размеров и плотности островков окислов компонентов структуры и уменьшению толщины слоя металла.
О 2.5 5.0
мкм
Рис.4. Вверху — поверхность окисленной пленки Er на SiC. Внизу — поверхность кратеров, образовавшихся после Оже-спектроскопии. Время окисления 1 с (1), 3 с (2), 5 с (3)
На рис.4 представлены данные атомно-силовой микроскопии. Видно, что окисная пленка имеет неоднородный характер, при увеличении времени окисления возрастает общая площадь окислившейся металлической пленки. Однако кроме «островков» окисла на поверхности пленки наблюдается рельеф, который может быть связан с диффузией атомов подложки в окисную пленку.
Таким образом, анализ всей совокупности полученных экспериментальных данных показал, что использованный нами метод получения оксидных слоев металлов на поверхности БЮ позволяет создавать в одном процессе проводящие и диэлектрические пленки.
1. Окисление металлов. Т.1 / Под ред. Ж.Бернара. М.: Металлургия, 1968. 499 с.
2. Поляков В.В., Светличный А.М., Кочеров А.Н., Шелкунов А.А. Оборудование для формирования диэлектрических пленок на основе инфракрасных и ультрафиолетовых потоков излучения // Микроэлектронные преобразователи и приборы на их основе. Баку: Мутарджим, 2003. С.62-64.
3. Светличный A.M., Поляков В.В., Кочеров А.Н. Влияние импульсного инфракрасного нагрева на процесс окисления карбида кремния // Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники. Таганрог: ТГРУ, 2002. С.90.
4. Бачериков Ю.Ю., Конакова Р.В., Кочеров А.Н., Литвин П.М., Литвин О.С., Охрименко О.Б., Светлич-
ный A.M. // ЖТФ. 2003. Т.7. №5. С.75-78.
5. Сафаралиев Г.К., Эмиров Ю.Н., Курбанов М.К., Билаков Б. А. // ФТП. 2000. Т.34. Вып.8. С.929-931.
6. Patrick Lyle, Choyke W.J. // Phys.Rev. B. 1972. V.5. №8. Р.3253-3259.
7. Choyke W.J., Patrick Lyle. // Phys.Rev. B. 1971. V.4. №6. Р. 1843-1847.
8. Горбань И.С., Рудько С.Н. // ФТТ. 1963. Т.5. Вып.5. С.1368-1372.
