Влияние лазерного микроструктурирования поверхности кремния на электрофизические свойства полученных структур

ВЛИЯНИЕ ЛАЗЕРНОГО МИКРОСТРУКТУРИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ КРЕМНИЯ НА ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУЧЕННЫХ СТРУКТУР С.С. Дышловенко, И.И. Стройков, Фам Куанг Тунг Научный руководитель - доктор технических наук, профессор А.М. Скворцов

Введение

Кремний - один из самых широко используемых материалов в современной полупроводниковой микроэлектронике и интегральной оптике. Оптические, электрические, физические и фотолюминесцентные свойства кремния определяются морфологией и структурой поверхности кремния. Изменяя морфологию и структуру поверхности кремния, можно изменить и его свойства. В предлагаемой работе проведен эксперимент по лазерному микроструктурированию поверхностей кремния, позволяющий модифицировать не только поверхность кремния, но и его физические, электрические и оптические свойства и, соответственно, значительно расширить область применения данного материала.

Методика эксперимента

В работе используется С02-лазер с длиной волны в инфракрасном диапазоне Х=10,6 мкм, длительностью импульса т=0,88х10-4 с, частотой следования импульсов /=80 Гц и мощностью излучения Р=0,3 Вт; скорость сканирования составляла К=2,5 мм/с. В качестве образцов использовались пластины монокристаллического кремния толщиной 0,38 мм с ориентацией (100). Для активирования поглощения кремнием лазерного излучения пластина кремния была помещена на стеклянную подложку. Процесс сканирования производился в воздухе в разных направлениях относительно базового среза пластины: параллельно, перпендикулярно и под углом 45°.

Относительное перемещение лазерного пучка по поверхности обрабатываемого изделия схематически представлено на рис. 1. Из рисунка видно, что размер облученной зоны ё зависит от ее расположения относительно центра рабочего поля у. Увеличение размера облученной зоны при отклонении пучка происходит по двум причинам: вследствие расфокусировки пучка и вследствие наклонного нападения пучка на обрабатываемую поверхность.

Рис. 1. Изменение облученной области при сканировании пучка

Для исследования электрофизических и структурных свойств образцов, изготовленных описанным способом, использовались методы катодолюминесценции и измерения вольтамперных характеристик (ВАХ).

Люминесцентные методы исследования являются одними из наиболее информативных при изучении структуры двуокиси кремния. Метод электролюминесценции наиболее часто используется при исследовании генерационно-рекомбинационных процессов в МОП-структурах с тонким диэлектриком [1, 2], а также для исследования возможности токовой накачки светоизлучающих нанокомпозитов, содержащих нанокри-сталлы кремния.

Метод катодолюминесценции используется сравнительно редко, хотя и обладает рядом преимуществ перед методом фотолюминесценции. В их числе можно отметить возможность регистрации спектров с разрешением по глубине окисной пленки, а также высокую энергию ионизирующего излучения, позволяющие исследовать люминесцентные центры с высокими энергиями возбуждения. В целом нужно отметить, что спектры катодо- и фотолюминесценции весьма похожи.

Исследование катодолюминесцентных свойств системы 81/БЮ2 проводилось на электронно-зондовом микроанализаторе «СатеЬах» фирмы «Сатеса» (Франция), снабженной оптическим спектрометром, регистрирующим катодолюминесцентное излучение образцов в видимой области спектра (350-750 нм).

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) полученных образцов были сняты с помощью характериографа Л2-56 и зондовой головки. Для эксперимента использовались два облученных лазером образца: чистый монокристаллический кремний и предварительно окисленный монокристаллический кремний. Исследуемые образцы размещались на стеклянной подложке. Для обеспечения омического контакта, а также для исключения выпрямления в контакте на очищенный от окисла БЮ2 участок поверхности был нанесен сплав 1пОа.

Экспериментальные результаты

В спектрах люминесценции различных силикатных систем можно выделить два четких пика, обусловленных структурными дефектами - немостиковым атомом кислорода и двухкоординированным атомом кремния [2, 3].

Рассмотрим структуру этих дефектов и их спектральные характеристики более подробно. На рис. 2 представлен спектр катодолюминесценции кварцевого стекла марки КИ, характеризующегося правильной стехиометрией и высокой химической чистотой, в частности, малым содержанием гидроксильных групп.

Полоса люминесценции 1,94 эВ на представленном спектре обусловлена наличием оборванных 81-О-связей в структуре стекла, что приводит к появлению комплементарной пары дефектов: немостикового атома кислорода =8Ю^, ответственного за люминесценцию в данной области, и трехкоординированного атома кремния =8и, представляющий собой Е'- центр, возбуждение которого не сопровождается люминесценцией. Здесь символ "—" означает химическую связь, а "•" - неспаренный электрон.

Полоса люминесценции, лежащая в области 1,9 эВ, обусловлена электронными переходами между расщепленными 2р-состояниями немостикового атома кислорода. Одно из этих состояний представляет собой заполненную 2рх-орбиталь, а второе - 2ру-орбиталь с неспаренным электроном.

Причины расщепления 2р-состояний объясняются на основе динамического эффекта Яна-Теллера, когда немостиковый атом кислорода прецессирует на вершине кремний-кислородного тетраэдра, образуя химические связи с другими кислородными атомами в том же тетраэдре [1].

Полоса люминесценции 2,7 эВ, согласно [3], обусловлена синглет-триплетным расщеплением в молекулярном комплексе двухкоординированого атома кремния =81:.

Ь*, еУ

Рис. 2. Спектр катодолюминесценции чистого кварцевого стекла марки КИ

Таким образом, можно утверждать, что полосы 1,9 эВ и 2,7 эВ в спектрах силикатных систем свидетельствуют о наличии кислородо-обогащенных и кремний-обогащенных дефектов, соответственно [1-3]. В спектрах люминесценции термического окисла на кремнии, кроме того, часто наблюдаются пики в зеленой области (2,2-2,5 эВ, рис. 3), отсутствующие в спектрах кварцевого стекла, но характерные для нанокомпозитов опал-кремний, что свидетельствует о наличие нанокластеров кремния в окисле. Точное положение и интенсивность таких пиков сильно зависят от температуры и среды окисления, типа проводимости подложки, режима термической обработки, а также от распределения центров люминесценции по толщине пленки [1-5].

ао-,

70-

Ш

Ш -

Я5

Щ 40-

Д)

— 30—1

О

20-

ю-0-

1:6 2.0 Э,Ь 311 3.5 4.0 4.6 5.0

(к; еУ

Рис. 3. Спектр катодолюминесценции монокристаллического кремния с окислом ЭЮ2

В настоящей работе были сняты спектры катодолюминесценции для двух образцов: образец 1 - чистый монокристаллический кремний, облученный лазером и образец 2 - кремний с окислом, облученный лазером. Для каждого из двух образцов катодолю-минесцентные характеристики были сняты в облученных областях. Для образца 1 дополнительно был снят спектр люминесценции вне области облучения. Люминесценция возбуждалась пучком электроном с энергией 5 кэВ, величина тока через образец составляла 20 нА, время экспозиции 0,3 с для всех образцов. Спектры катодолюминесценции полученных образцов представлены на рис. 4-6.

К еУ

Рис. 4. Спектр катодолюминесценции, снятый вне области облучения монокристаллического кремния

Рис. 5. Спектр катодолюминесценции, снятый в облученных областях предварительного окисленного монокристаллического кремния после облучения лазером

Рассмотрим эти спектры люминесценции более подробно. На поверхности образца 1 вне области облучения существует только тонкий естественный слой окисла. На его спектре люминесценции можно выделить два разных пика, соответствующие энергиям 1,94 эВ, 2,25 эВ и 2,65 эВ. Из-за малой толщины слоя естественного окисла эти пики выражены нерезко (рис. 4).

На спектре люминесценции образца 1, снятом в области облучения, четко выделяется одна яркая полоса, соответствующая энергии 2,25 эВ (рис. 5). Другие полосы, соответствующие энергиям 1,97 эВ и 2,67 эВ, отсутствуют, т.е., как было сказано выше, отсутствуют кислородо-обогащенные и кремний-обогащенные дефекты.

Следует отметить большую интенсивность пика, соответствующего энергии 2,25 эВ. Можно предположить, что после облучения на структурированной поверхности сформировались нанокластеры монокристаллического кремния в пересыщенном атомами кремния окисле.

На спектре люминесценции предварительно окисленного монокристаллического кремния, снятом в облученных областях, четко выделяется только одна яркая полоса, соответствующая энергии 2,25 эВ (рис. 6), аналогичная случаю монокристаллического кремния (рис. 5). Отличие заключается в том, что при энергии 1,97 эВ образовался выступ, характеризующий появление нового вида эффектов окисла. Корректное объяснение этого пика в настоящее время дать затруднительно.

Рис. 6. Спектр катодолюминесценции, снятый в области облучения образца 2 - кремний

с окислом ЭЮ2, облученный лазером

Для неокисленного образца наблюдается ВАХ близкая к нормальной, аналогично характеристике обычного точечного диода, образованного контактом металл-полупроводник (рис. 7).

На образах, окисленных до облучения лазером, пробой слоя БЮ2 происходит при напряжении порядка 60 В. При измерении ВАХ после пробоя наблюдается аномальное поведение ВАХ (рис. 8). Из рис. 8 видно, что на обратной характеристике наблюдается резкое увеличение обратного тока, сопровождаемое релаксацией тока в диапазоне 30-50 В. Релаксация заключается в том, что после выдержки измеряемой структуры при напряжении 60 В наблюдается изменение обратной ветви ВАХ по кривой, обозначаемой пунктиром. Возможно, ход обратных ветвей ВАХ, приведенных выше, связан с наличием в окисле структурных дефектов, способных перестраиваться в результате протекания тока по этим дефектам.

не окисленный образец

Рис. 7. ВАХ неокисленного монокристаллического кремниевого образца,

облученного лазером

Рис. 8. ВАХ окисленного монокристаллического кремниевого образца,

облученного лазером

Заключение

В результате проведенной работы разработан технологический процесс микроструктурирования поверхности кремния, обеспечивающий формирования областей с разной энергии облучения.

В результате облучения неокисленого монокристаллического кремния пучком лазера возникает полоса катодолюминесценции, соответствующая энергии 2,25 эВ, кото-

рая характеризует наличие нанокластеров кремния в структуре кремний - «естественный окисел».

В катодолюминесценции предварительного окисленного образца появился дополнительный выступ, который характеризует появление нового вида эффектов окисла. Корректное объяснение этого пика в настоящее время дать затруднительно.

В результате исследования ВАХ облученных участков была обнаружена аномальная зависимость обратного ВАХ на образцах с предварительным окислением поверхности до облучения.

Литература

1. Kim K., Suh M.S., Kim T.S., Youn C.J., Suh E.K., Shin Y.J., Lee KB. and Lee H.J. Room-temperature visible photoluminescence from silicon-rich oxide layers deposited by an electron cyclotron resonance plasma source. // Appl. Phys. Lett. 1996. V. 69. Р. 39083910.

2. Bai G.F., Wang Y.Q., Ma Z.C., Zong W.H. and Qin G.G. Electroluminescence from Au/native silicon oxide layer/pC-Si and Au/native silicon oxide layer/nC-Si structures under reverse biases. // J. Phys.: Condens. Matter. 1998. V. 10. Р. 717-721.

3. Lin C.-F., Liu C.W., Chen M.-J., Lee M.H. and Lin I.C. Infrared electroluminescence from metal-oxide-semiconductor structures on silicon. // J. Phys.: Condens. Matter. 2000. V. 12. Р. 205-210.

4. Torchinska T., Aguilar-Hernandez J., Morales-Rodriguez M., Mejia-Garcia C., Contreras-Puente G., Becerril Espinosa F.G., Bulakh B.M., Schverbina L.V., Goldstein Y., Many A. and Jedrzejewski J. Comparative investigation of photiluminiscence of silicon wire structures and silicon oxide films. // Journal of Physics and Chemistry of Solids. 2002. V. 63. Р. 561-568.

5. Torchynska T.V., Bulakh B.M., Polupan G.P., Palacios Gomez J., Flores Gonzalez H.A., Bacarril Espinoza F.G., Ita Torre A. and Scherbina L.V. Comparative investigation of surface structure, photoluminescence and its excitation in silicon wires. // Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena. 2001. V. 114-116. Р. 235-241.