CC BY
27
УДК 538.958 + 538.971
ВЛИЯНИЕ ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ОТЖИГА НА РОСТ КРЕМНИЯ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ З1/в^еЗ12/З1, ИЗГОТОВЛЕННОЙ МЕТОДАМИ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ И МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ
ЧУСОВИТИН Е.А., ВАВАНОВА С В., ПЕТРУШКИН И.А., ГАЛКИН Н.Г., *БАЯЗИТОВ Р.М., *БАТАЛОВ Р.И., **ИВЛЕВ Г.Д., ***ШАМИРЗАЕВ Т.С.
Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, 690041, г. Владивосток, ул. Радио, 5
*Казанский физико-технический институт КазНЦ РАН, 420029, г. Казань, ул. Сибирский тракт, д. 10/7 **Институт физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси, 220072, Беларусь, г. Минск, пр. Независимости, д. 68 ***Институт физики полупроводников СО РАН, 630090, г. Новосибирск, пр. Ак. Лаврентьева 13
АННОТАЦИЯ. Исследовано влияние импульсного лазерного отжига (ИЛО) на морфологию и фазовый состав поверхности образцов монокристаллического кремния имплантированных ионами железа в диапазоне доз (6-1015 - 6-1016) см- . Показано, что после ИЛО в морфологии и составе имплантированных образцов наблюдаются изменения за счет формирования преципитатов силицидов железа, которые при максимальной дозе имплантации выходят на поверхность и характеризуются металлическим типом проводимости (поглощения). Впервые исследован эпитаксиальный рост кремния на поверхности имплантированного кремния после ИЛО и процедуры сверхвысоковакуумной (СВВ) очистки. Установлено, что кремний значительно лучше растёт на отожжённой поверхности. Для образцов с малой дозой имплантации ионов железа (до 1-1016 см-2) получены сплошные эпитаксиальные пленки кремния толщиной до 500 нм в процессе молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) кремния при температуре подложки 775 оС. Исследованы оптические свойства тройных гетероструктур и установлен вклад преципитатов дисилицида железа в спектры отражения и
фотолюминесценции.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ионная имплантация, импульсный лазерный отжиг, гетероструктуры, дисилицид железа, оптические и люминесцентные свойства.
ВВЕДЕНИЕ
В последние 10-15 лет значительно вырос интерес к кремниевых структурам, излучающим в области длин волн (1,3-1,6) мкм, благодаря перспективам интеграции на одном кристалле кремния микро- и оптоэлектронных приборах нового поколения. Основными путями создания светоизлучающих кремниевых структур является легирование кремния редкоземельными элементами (эрбий) [1], а также встраивание в решетку кремния нанокристаллов и преципитатов полупроводникового дисилицида железа (в -Ре812) и SiGe [2,3]. Для формирования заглубленных в матрице Si преципитатов /?-FeSi2 в основном применяются два метода: ионно-лучевой синтез (высокоэнергетичная имплантация Si ионами Fe+ с последующим термическим отжигом) и реактивная эпитаксия (осаждение атомов Fe на нагретую подложку Si с последующим эпитаксиальным заращиванием слоем Si) [2,4]. Указанные методы, как правило, включают длительные высокотемпературные обработки, которые нежелательны в микроэлектронной технологии из-за деградации электрических параметров приборных структур. Альтернативой таким обработкам могут быть импульсные наносекундные воздействия лазерными или ионными пучками, которые характеризуются локальностью обработки по глубине и площади облучаемого материала и высоким кристаллическим качеством получаемых структур [5].
ВЛИЯНИЕ ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ОТЖИГА НА РОСТ КРЕМНИЯ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ Si/B-FeSi2/Si, ИЗГОТОВЛЕННОЙ МЕТОДАМИ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ И _МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ_
Ранее нами было продемонстрировано формирование гетероструктур ^-FeSi2/Si при низкоэнергетической имплантации ионов Fe+ и импульсных обработках ионными и лазерными пучками [6,7]. Недавно мы впервые показали возможность формирования тройной эпитаксиальной гетероструктуры Si/^-FeSi2/Si со встроенными преципитатами e~FeSi2 при имплантации ионов Fe+ и импульсном ионном отжиге с последующим эпитаксиальным ростом покрывающего слоя кремния методом МЛЭ [8].
В данной работе исследовано влияние ИЛО на морфологию и оптические свойства монокристаллического кремния с имплантированными ионами железа (Fe+), а также на процесс эпитаксиального роста покрывающего слоя кремния, который необходим для создания тройных Si/^-FeSi2/Si гетероструктур.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Имплантация ионов Fe+ проводилась в монокристаллические подложки кремния р-типа проводимости (20 Ом-см и 1 Ом-см) с ориентацией (100) и (111) при комнатной температуре с энергией ионов Е = 40 кэВ и дозами Ф = (6-1015-6-1016) см2. ИЛО имплантированных подложек кремния проводилась на воздухе с использованием импульсного рубинового лазера (Л = 0,69 мкм, т = 80 нсек,
W = (1,5-2,0) Дж/см2).
Рост кремния поверх имплантированных железом слоев кремния выполнялся в СВВ-камере с базовым давлением P = 2-10 10 Тор. Ростовая камера была оснащена сублимационным источником кремния для выполнения МЛЭ и электронным Ожэ-спектрометром (ЭОС) для элементного анализа. Остаточные загрязнения удалялись с поверхности подложек в СВВ-камере прогревом при 650 oC путем пропускания тока в течение 4-5 ч с последующим охлаждением в течение 12 ч. Процедура низкотемпературной очистки (НТО) кремния включала осаждение кремния со скоростью около 0,1 нм/мин при температуре подложки T = 850 C в течение 20 мин для восстановления диоксида кремния до монооксида в потоке кремния и его последующего разложения с формированием атомарно-чистой поверхности кремния. Состояние подложки после очистки и после роста кремния контролировалось методами ЭОС и спектроскопии характеристических потерь энергии электронами (ХПЭЭ). Источник кремния представлял собой прямоугольную пластину кремния, легированную бором до концентрации 1-1016 см-3. Температура кремниевой подложки T = 775 C была выбрана для последующей МЛЭ кремниевого покрывающего слоя.
Морфология поверхности кремния после имплантации ионов железа, а также после ИЛО и роста покрывающих слоев кремния исследовалась методом атомной силовой микроскопии (АСМ) с использованием многомодового сканирующего зондового микроскопа Solver P47. Оптические спектры пропускания и отражения выращенных кремниевых образцов исследовались на автоматическом спектрофотометре Hitachi U-3010 с интегрирующей сферой и автоматизированном монохроматоре MSDD-1000 при комнатной температуре. Измерения фотолюминесценции (ФЛ) проводились при температурах (5-100) К (ИФП СО РАН) с помощью неодимового лазера (Л = 532 нм, 20 мВт) и анализировались в спектрофотометре на базе двойного монохроматора. Спектры ФЛ регистрировали с помощью охлаждаемого жидким азотом германиевого фотодиода фирмы Edinburgh Instruments.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ
Морфология поверхности имплантированного Si до и после ИЛО
Проанализируем изменения морфологии поверхности образцов кремния, имплантированных ионами Fe+, после ИЛО, в зависимости от имплантированной дозы и плотности энергии при лазерном отжиге. Основные параметры исходных образцов приведены в табл. 1.
Рассмотрим образцы A, B и C c различной дозой имплантированных ионов железа, и подвергнутых ИЛО с плотностью энергии пучка 1,7 Дж/см .
Таблица 1
Параметры исходных образцов кремния и режимы их обработки
Образец Подложка Тип проводимости Проводимость (Ом-см) Химический элемент Имплантиров анная доза, см-2 Тип отжига Плотность энергии отжига, Дж/см2 Количество импульсов
A Si(100) p 20 Fe 6-1015 ИЛО 1,7 1
B Si(100) p 20 Fe 1-1016 ИЛО 1,7 1
C Si(100) p 20 Fe 6-1016 ИЛО 1,7 1
D Si(100) p 20 Fe 6-1015 ИЛО 2,0 1
E Si(100) p 20 Fe 1-1016 ИЛО 2,0 1
F Si(100) p 20 Fe 6-1016 ИЛО 2,0 1
После ИЛО поверхность образца А (рис. 1, а) представляет собой плёнку, состоящую из сросшихся островков округлой формы, не имеющих огранки, расположенных плотно друг
9 2
к другу и распределенных равномерно по поверхности с плотностью 7,4-10 см" .
Средний размер островков составляет 55 нм, а средняя высота - 4,1 нм. Среднеквадратичная шероховатость поверхности образца А составляет 1,13 нм. Увеличение дозы имплантации ионов Fe+ в 1,7 раз для образца В (рис. 1, б) привело к некоторому увеличению шероховатости, ширины и высоты островков на поверхности образца.
0 0.5 1.0 1.5 цт 0 0.5 1.0 1.5 цт
а) образец А; б) образец В; в) образец С; г) участок поверхности не подвергнутый ИЛО
Рис. 1. АСМ-изображения образцов 8^100) имплантированных ионами железа в диапазоне доз Ф = (6^1015 - 6^1016 ) см-2 и подвергнутых ИЛО с плотностью энергии W = 1,7 Дж/см2
Плотность островков при этом уменьшилась на 25 %. Увеличение дозы в 6 раз для образца С привело к значительным слияниям островков (рис. 1, в). Наблюдается уменьшение шероховатости поверхности, средних размеров островков и плотности островков почти вдвое по отношению к образцу с минимальной дозой (табл. 2). До облучения лазерным пучком поверхность кремния имела существенно меньшую шероховатость (0,2-0,4) нм во всем диапазоне доз имплантации и выглядела как однородная поверхность с небольшими колебаниями неровностей с периодом (0,5-0,8) мкм (рис. 1, г). Следовательно, после имплантации ионов железа на поверхности кремния отсутствовали преципитаты силицида железа не зависимо от использованной дозы, а ИЛО привел к перераспределению по глубине внедренных атомов железа в направлении поверхности (сегрегация) и синтезу преципитатов силицида железа, как это наблюдалось нами ранее в работе [7]. Как видно из табл. 2 максимальная шероховатость (1,6 нм) и размеры частиц (70 нм) наблюдались для образца В, имплантированного дозой 1 • 1016 см-2, при которой, количество вытесняемой к поверхности примеси железа максимально. С ростом дозы имплантации эффект сегрегации подавляется диффузией примеси вглубь кристалла кремния вследствие приближения концентрации примеси к точке эвтектики, что приводит к уменьшению размеров частиц, их плотности и шероховатости поверхности.
Таблица 2
Параметры слоев кремния до и после ИЛО
я ^ й Доза имплантации, ион/см-2 Энергия отжига, Дж RMS (усреднен для всех) Размеры островков, нм Плотность островков, см-2
Л ю О Отожжённый ИЛО Без ИЛО Ширина Высота
А 6-1015 1,7 1,13 0,2 55 4,1 7,4-109
В Ы016 1,7 1,60 0,4 70 4,7 6,4-109
С 6-1016 1,7 0,69 0,2 55 2,5 3,6-109
D 6-1015 2,0 1,39 0,3 45 3,3 6,0-109
Е Ы016 2,0 1,99 0,4 90 6,4 5,5-109
^ 6-1016 2,0 1,08 0,4 70 4,4 3,0-109
Рассмотрим, повлияла ли плотность энергии ИЛО на морфологию поверхности с имплантированными ионами железа? Ниже представлены АСМ-изображения поверхности образцов D, Е и Плотность энергии при ИЛО в этом случае составляла 2,0 Дж/см .
Поверхность образца D после ИЛО, изображенная на рис. 2, а, представляет собой пленку, на которой видны островки округлой и продолговатой (после коагуляции) формы. При этом все островки занимают около 80 % поверхности. Увеличение дозы ионов Бе+ до 1-1016 см-2 (образец Е) привело к росту размеров островков, имеющих округлую форму и увеличению их плотности (рис. 2, б). Они занимают всю поверхность и видны в двух слоях, при этом второй слой занимает только часть поверхности и затеняет нижний слой. Поверхность образца после ИЛО стала более шероховатой по сравнению как с образцом D, так и с образцом ^ (табл. 2). Увеличение дозы имплантации в 6 раз для образца ^ привело к уменьшению размеров островков в первом слое и частичной их коагуляции - во втором слое (рис 2, в). Шероховатость поверхности образца и общая плотность островков уменьшились в два раза по сравнению с образцом Е (табл. 2). Увеличение плотности энергии лазерного отжига привело к большему перераспределению островков силицида на поверхности, но максимальная плотность островков также наблюдалась для дозы имплантации 1 • 1016 см-2, что указывает на максимальное количество вытесняемой к поверхности примеси железа, приводящей к увеличению размеров островков силицида. Таким образом, варьирование режимов ионной имплантации и ИЛО позволяет получать островки силицида железа заданных размеров и плотности с низким уровнем шероховатости.
Дополнительная информация о механизме кристаллизации кремния после ИЛО была получена из спектров отражения. При минимальной дозе имплантации ионов железа Ф = 610 см- изменения в спектре отражения (рис. 3) по сравнению с монокристаллическим кремнием наблюдаются в области энергий фотонов (1,8 - 2,8) эВ (возрастание коэффициента отражения с формированием слабого пика в спектре отражения при 2,3 эВ) и при энергиях выше 3,0 эВ (уменьшение коэффициента отражения от кремния без энергетических сдвигов основных пиков отражения).
|Jtn а) nm |jm
1.5 6 1.5
5
4
1.0 1.0
3
0.5 2 0.5
1-
0 0
0.5
1.0
1.5
|jm
а) - образец D; б) - образец Е; в) - образец F
Рис. 2. АСМ-изображения образцов Si(100) имплантированных ионами железа в диапазоне доз Ф = (6-1015 - 6-1016) см-2 и подвергнутых ИЛО с плотностью энергии W = 2,0 Дж/см2
0 0.5 1.0 1.5 мт
Первое свидетельствует о формировании под поверхностью кремния преципитатов полупроводникового дисилицида железа, а второе - об образовании в результате ИЛО монокристаллического кремния вокруг преципитатов, но с некоторой плотностью дефектов. Они в соответствии со своей электронной структурой дают некоторый вклад в спектр отражения кремния с учетом затухания сигнала из глубины, на которой находятся. Увеличение дозы имплантации ионов железа до Ф = 1-10 см- привело к некоторому уменьшению пика при энергии 2,3 эВ и увеличению отражения в области низких энергий фотонов, что свидетельствует в пользу начала формирования под поверхностью монокристаллического кремния металлических силицидов (a-FeSi2, y-FeSi2) и уменьшению доли полупроводникового дисилицида железа.
Значительное увеличение коэффициента отражения в диапазоне энергий фотонов (1,3 - 3,0) эВ (рис. 3) наблюдается для образца с дозой имплантации Ф = 6-10 см- . При этом в спектре не удается выделить отдельных пиков, отвечающих за структуру полупроводникового дисилицида железа, но в нем наблюдается резкое увеличение коэффициента отражения с уменьшением энергии фотонов, что связано с формированием в результате ИЛО только металлических фаз силицидов железа.
Рис. 3. Спектры отражения образцов кремния после различных доз имплантации
ионов железа и ИЛО
Морфология, рост и оптические свойства гетероструктур Si(100)/в-FeSi2/Si(100)
На поверхности образцов А, В и С в условиях сверхвысокого вакуума был сформирован покрывающий слой кремния, необходимый для создания гетероструктуры З1(100)/р-РеЗ12/З1(100). Непосредственно перед процессом формирования слоя каждый образец проходил процедуру низкотемпературной сверхвысоковакуумной (СВВ) очистки, которая заключалась в помещении нагретого до 850 оС образца в слабый поток атомов кремния (и = 0,1 нм/мин) на 20 мин. Методами ЭОС и спектроскопии ХПЭЭ установлено, что в ходе этой процедуры диоксид кремния удаляется с поверхности. После очистки, как подвергнутые, так и не подвергнутые ИЛО, участки поверхности образцов становятся более шероховатыми и близкими по значению среднеквадратичной шероховатости (2,24-3,0) нм. По сравнению с импульсной ионной обработкой (ИИО) имплантированных ионами железа слоев кремния [8] ИЛО приводит к более сильным изменениям морфологии поверхности кремния, что связано с особенностями выделения энергии этим излучением. Так при ИИО максимум выделения энергии приходится на глубинные области кремния (0,5-0,7) мкм, соответствующие пробегу ионов углерода с энергией 300 кэВ, тогда как при ИЛО максимум энергии выделяется вблизи поверхности и её доля, прошедшая вглубь образца, уменьшается экспоненциально по закону Бугера-Ламберта. Очевидно, что более развитый рельеф поверхности, наблюдающийся при ИЛО, будет ограничивать возможности эпитаксиального наращивания покрывающего слоя кремния.
Рост покрывающего слоя осуществлялся при температуре 775 оС. Толщина слоя для образцов А и В составила 500 нм, а для образца С - 300 нм. В случае умеренных доз имплантации (не более 1016 см-2) на поверхности кремния в основном отсутствуют преципитаты дисилицида железа, что способствует зарождению кремния на кремнии и его срастанию в сплошную эпитаксиальную пленку с некоторой плотностью проколов (рис. 4). По внешнему виду пленки кремния, выросшей на подвергнутом ИЛО участке поверхности образца А (рис. 4), можно предполагать, что пленка является эпитаксиальной, величина ее шероховатости составляет 5,26 нм. Для участка поверхности не повергнутого ИЛО шероховатость пленки значительно выше (до 18,72 нм), наряду с большим количеством проколов в ней. Высокая плотность проколов и повышенная шероховатость пленки свидетельствуют о повышенном уровне дефектности исходной поверхности, не подвергнутой ИЛО, и о преимущественном трехмерном росте, срастание кристаллитов кремния при котором наблюдается только при больших толщинах слоя кремния. В случае
качество плёнки, выросшей в отожжённой области (не показано).
16 2
В случае дозы имплантации 6-10 см- (образец С) толщины слоя кремния в 300 нм оказалось не достаточно для формирования сплошной пленки кремния (рис. 4). Однако шероховатость пленки (89 нм) в области, необработанной ИЛО, была выше, по сравнению с областью подвергнутой ИЛО (76 нм).
Имплантированная доза, см"2
Рис. 4. Зависимость среднеквадратичной шероховатости выросшей плёнки кремния от имплантированной дозы ионов Fe+. Представлены зависимости для областей подвергнутых и не подвергнутых ИЛО. Масштаб по оси Х линейный
Таким образом, можно утверждать, что ИЛО является эффективным средством для уменьшения количества дефектов, образовавшихся после имплантации кремниевой подложки ионами железа, что позволяет получать в ходе молекулярно-лучевой эпитаксии более совершенные покрывающие слои
Исследования оптических свойств полученных тройных гетероструктур Si/p-FeSi2/Si( 100) с внедренными преципитатами дисилицида железа, проводили методами фотолюминесцентной спектроскопии и спектроскопии на отражение. По виду и амплитуде спектров отражения в области энергий более 2,5 эВ (рис. 5) для образцов с минимальной и средней дозой имплантации рост кремния происходил эпитаксиально, если их сравнивать со спектром отражения монокристаллического кремния. По-видимому, эпитаксиальное зарождение происходит от кремниевой монокристаллической подложки, а срастание происходит в виде латеральной эпитаксии над вышедшими на поверхность кремниевыми или силицидными зернами. При максимальной дозе имплантации на кремнии остаются незакрытые покрывающим слоем кремния участки поверхности, что приводит к появлению максимума в низкоэнергетической части спектра (~ 0,8 эВ) и уменьшению измеряемого коэффициента отражения от кремния во всей области спектра. Этот эффект связан с реализацией в области прозрачности кремния многократного отражения от обратной стороны подложки и эффективным увеличением коэффициента отражения. Он всегда наблюдается для чистых подложек кремния с двумя полированными сторонами (рис. 5). Особенностью спектров отражения с наименьшей и средней дозой имплантации являются слабые осцилляции коэффициента отражения в области энергий фотонов (1,2 - 2,5) эВ. Эффект осцилляций коэффициента отражения в области энергий фотонов (1,2 - 2,5) эВ, где наблюдается возрастающее поглощение в кремнии, связан с отражением от преципитатов
дисилицида железа, расположенных на разной глубине и ориентированным к свету различными плоскостями.
Рис. 5. Спектры отражения от двухсторонне полированной пластины монокристаллического кремния Si(111) и тройной гетероструктуры Si/^-FeSi2/Si, полученной при различных дозах имплантации ионов железа, плотностях энергии ИЛО и последующем росте покрывающего слоя
кремния
С изменением дозы изменяется минимальная глубина, с которой может быть зарегистрирован сигнал отражения от преципитатов. Все это приводит к осцилляциям коэффициента отражения от покрывающего слоя кремния.
Измерения сигнала фотолюминесценции (ФЛ) проводили при температуре 5 К
15 2
(табл. 3). В результате оказалось, что увеличение дозы имплантации на порядок (с 6-10 см"
16 2
до 6-10 см- ) привело к росту интенсивности ФЛ более чем на порядок.
Таблица 3
Данные низкотемпературной ФЛ
Образец Подложка Имплантированная доза, см-2 Т оС х эпит? ^ Шероховатость 81 слоя, нм Интенсивность ФЛ (5 К), отн. ед.
А 81(100) 6-1015 775 5,26 5,1
В 81(100) 11016 775 8,72 17,5
С 81(100) 6-1016 775 76 138,1
Это может быть связано с двумя причинами: 1 - увеличение дефектности слоя кремния (большая доза приводит к большему количеству дислокаций); 2 - увеличение количества кристаллитов Р-Ре812 (или даже образование сплошного слоя силицида), а, следовательно, рост излучательной рекомбинации в них. Для образца С, обладающего максимальной интенсивностью ФЛ, были дополнительно проведены измерения температурной зависимости интенсивности ФЛ (рис. 6), с целью определить энергии активации процесса затухания. Экспериментальные данные были аппроксимированы теоретической зависимостью:
I (T ) =- Io
Е Е
1 + С ехр(--4 + С2 ехр(--2)
1 ^ кТ 2 ^ кТ
где С1 и С2 - весовые коэффициенты, Е; и Е2 - энергии активации процесса затухания ФЛ, а 10 - интенсивность ФЛ при Т = 5 К. Полученные значения энергий составили -Е; = (7,2 ± 0,2) мэВ и Е2 = (21,8 ± 10) мэВ. Из сравнения величин Е; и Е2 с энергией активации процесса затухания ФЛ от дислокационной линии В1 (около 10 мэВ) можно сделать вывод о том, что вклад в сигнал ФЛ дают как дислокации несоответствия (значение Е; близко к 10 мэВ), так и который находится либо в виде кристаллитов, либо в виде
сплошного слоя. Кроме того для пика ФЛ с энергией около 0,816 эВ наблюдается «красный» сдвиг на 10 мэВ в диапазоне температур 5 - 60 К, в то время как положение дислокационной линии В1 в этом диапазоне температур сохраняется [9].
Энергия, эВ 0.95 0.9 0.85 0.8 0.75
ОИШШР^,-.-,-■
1300 1400 1500 1600 1700
Длина волны, нм
0 5 10 15 20 100/Т, К"1
Рис. 6. а) - спектры фотолюминесценции для образца С, полученные при различных температурах; б) - температурная зависимость амплитуды сигнала ФЛ около 0,81 эВ и аппроксимация теоретической зависимостью
Таким образом, данные ФЛ указывают на то, что в образцах, имплантированных ионами железа и отожжённых с помощью ИЛО, присутствуют как дислокации, так и преципитаты силицида железа, часть из которых представляет собой
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе изучено воздействие мощных наносекундных лазерных импульсов на структуру, морфологию поверхности и оптические свойства слоев кремния имплантированных различными дозами ионов железа с целью формирования гетероструктур Si/p-FeSi2/Si с использованием метода МЛЭ.
Показано, что после низкоэнергетической (Е = 40 кэВ) имплантации ионов железа в монокристаллический кремний с ориентацией (100) на поверхности кремния отсутствовали преципитаты железа или силицида железа не зависимо от использованной дозы (61015 - 61016 ) см- . Импульсный лазерный отжиг данных образцов с плотностью энергии (1,7-2,0) Дж/см2 привел к перераспределению в направлении поверхности (сегрегация) внедренных атомов железа и к синтезу преципитатов силицида железа с размерами в области
9 2
(40-90) нм и плотностью размещения в области (3-7)10 см. По данным оптической спектроскопии поведение отражения различных образцов после ИЛО зависело от дозы
имплантации: в области низкой и средней дозы (61015 - 11016 ) см-2 спектр отражения был
16 2
близок к спектру кремния, тогда как при максимальной дозе (610 см- ) наблюдался рост
ВЛИЯНИЕ ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ОТЖИГА НА РОСТ КРЕМНИЯ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ Я^В-РеЗЬ^, ИЗГОТОВЛЕННОЙ МЕТОДАМИ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ И _МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ_
отражения в ближней ИК и видимой области (1,3-3) эВ, связанный с преимущественным
формированием металлических фаз силицида железа.
Установлено, что характер роста кремния на атомарно-чистой поверхности кремния с внедренными ионами железа определяется степенью кристалличности поверхности, которая зависит от дозы имплантации и режимов отжига. Эпитаксиальный рост кремния методом МЛЭ при толщинах не менее 500 нм и температуре подложки 775 оС возможен для умеренных доз ионов железа (< 1016 см-2) и проходит по механизму трехмерного зарождения и латерального разрастания. При этом ИЛО оказался эффективным средством для уменьшения количества дефектов, образовавшихся после имплантации кремниевой подложки ионами железа, что позволило получать в ходе молекулярно-лучевой эпитаксии более совершенные покрывающие слои.
Данные низкотемпературной ФЛ показали, что вклад в сигнал ФЛ дают как дислокации несоответствия, так и в-РеБ12, который находится либо в виде кристаллитов, либо в виде сплошного слоя.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №08-02-01280 и грантов ДВО РАН № 09-1-П27-05 и № 09-П-Ш-02-003.
Материалы статьи обсуждались на Двенадцатой Межрегиональной конференции молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов «ПДММ-2009) (г. Владивосток, 17-20 июня 2009 г.) и рекомендованы к публикации в журнале «Химическая физика и мезоскопия».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Kenyon A.J. Erbium in silicon // Semicond. Sci. Technol. 2005. V.20. P.R65-R84.
2. Leong D., Harry M., Reeson K., et al. A silicon/iron-disilicide light-emitting diode operating at a wavelength of 1.5 цт // Nature. 1997. V.387. Р. 686-688.
3. Vescan L., Stoica T. Room-temperature SiGe light-emitting diodes // J. Lumin. 1999. V.80. Р.485-489.
4. Suemasu T., Takakura K., Li C., et al. Epitaxial growth of semiconducting p-FeSi2 and its application to light-emitting diodes // Thin Solid Films. 2004. V.461. Р.209-218.
5. Двуреченский А.В., Качурин Г.А., Нидаев Е.В. и др. Импульсный отжиг полупроводниковых материалов. М. : Наука, 1982. 208 с.
6. Баталов Р.И., Баязитов Р.М., Теруков Е.И. и др. Импульсный синтез слоев ^-FeSi2 на кремнии, имплантированном ионами Fe+ // ФТП. 2001. Т.35, вып. 11. С.1320-1325.
7. Bayazitov R., Batalov R., Nurutdinov R., et al. Iron distribution in the implanted silicon under the action of highpower pulsed ion and laser beams // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 2005. V.240. Р.224-228.
8. Галкин Н.Г., Горошко Д.Л., Чусовитин Е.А., Баязитов Р.М., Баталов Р.И. Эпитаксиальный рост кремния на кремнии, имплантированном ионами железа, и оптические свойства полученных структур // ЖТФ. 2008. №78. С.84-90.
9. Сексенбаев М.С., Шамирзаев Т.С., Журавлев К.С. и др. Сравнительный анализ фотолюминесценции квантовых точек GeSi/Si, ^-FeSi2 и дислокаций кремния // Труды 11-ой Конф. студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов. Владивосток : ИАПУ ДВО РАН, 2007. С. 127-131.
INFLUENCE OF PULSED LASER ANNEALING ON THE GROWTH AND OPTICAL PROPERTIES OF Si/ß-FeSi2/Si HETEROSTRUCTURE FORMED BY METHODS OF ION IMPLANTATION AND MOLECULAR BEAM EPITAXY
Chusovitin E.A., Vavanova S.V., Petrushkin I.A., Galkin N.G.,
*Bayazitov R.M., *Batalov R.I., **Ivlev G.D., ***Shamirzaev T.S.
Institute of Automation and Control Processes FEB of RAS, Vladivostok, Russia *Kazan Physico-Technical Institute KSC of RAS, Kazan, Russia
**Stepanov Institute of Physics NAS of Belarus, Minsk, Belarus
***Institute of semiconductor Physics SB of RAS, Novosibirsk, Russia
SUMMARY. This article is devoted to the investigation of pulse laser annealing (PLA) influence on morphology and phase composition of monocrystalline silicon samples implanted by iron ion with fluence (6 -1015 - 6 -1016) cm- . It was shown that PLA leads to the formation of the of different iron silicides and, in the case of 6 -1016 cm-2 fluence, they come to the sample surface and they have metallic conductivity. For the first time we studied epitaxial silicon growth on implanted silicon surface after PLA and ultrahigh vacuum cleaning. It was found that silicon much batter grows on annealed surface. On samples with implanted fluence 6-1015 cm-2 and 1-1016 cm-2 we could grow up a continuous epitaxial silicon films with thickness about 500 nm using molecular beam epitaxy at substrate temperature 775 oC. Optical properties of the obtained Si/8-FeSi2/Si heterostructures were investigated and we found that iron disilicide precipitates make a contribution to the reflectance and photoluminescence spectra.
KEYWORDS: ion implantation, pulsed laser annealing, heterostructures, iron disilicide, optical and luminescence properties.
Чусовитин Евгений Анатольевич, инженер лаборатории оптики и электрофизики ИАПУ ДВО РАН, тел. (4232) 320682, е-mail: chusovitin@mail. dvo. ru
Ваванова Светлана Владимировна, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории оптики и электрофизики ИАПУ ДВО РАН, тел. (4232) 320682, е-mail: sveta@iacp. dvo. ru
Петрушкин Иван Александрович, старший лаборант лаборатории оптики и электрофизики ИАПУ ДВО РАН, тел. +79502915085, е-mail: [email protected]
Галкин Николай Геннадьевич, доктор физико-математических наук, профессор, ученый секретарь ИАПУ ДВО РАН, тел.: (4232) 310421, е-mail: [email protected]
Баязитов Рустэм Махмудович, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией КФТИ КНЦ РАН, тел. (843) 2319102, е-mail: bayaz@kfti. knc. ru
Баталов Рафаэль Ильясович, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник. КФТИ КНЦ РАН, тел. (843) 2319102, е-mail: [email protected]
Ивлев Геннадий Дмитриевич, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института физики им. Б.И. СтепановаНАНБеларуси, тел. +375-17-281-3514, е-mail: [email protected]
Шамирзаев Тимур Сезгирович, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИФП СО РАН, тел. (383) 3304475, е-mail: [email protected]
