Введение к работе
Актуальность темы. Актуальность данной работы в немалой степени связана с тем, что бурный рост производительности процессоров и систем на их основе в последнее время начал замедляться. Одна из основных причин этого замедления связана с тем, что уменьшение ширины подзатворного диэлектрика, отвечающего за скорость срабатывания транзистора, уперлось в свой технологический и физический предел, когда начинает превалировать эффект туннелирования электронов сквозь слой диэлектрика. Поэтому на сегодняшний день остро стоит задача поиска качественно новых подходов для дальнейшего наращивания производительности современных вычислительных устройств. Сейчас степень интеграции электронных устройств настолько высока, что роль задержек на металлических соединений начинает играть определяющую роль в скорости работы всего комплекса оборудования. Замена электрических соединений на оптические, где в одном монолитном устройстве будет реализованы функции генерации, передачи и приема оптических сигналов может дать качественный скачок в дальнейшем развитии полупроводниковой промышленности.
Самым дешевым способом решения данной задачи является создание приемников и генераторов излучения в рамках планарной кремниевой технологии. Но сдерживающим моментом в данном подходе является низкий выход люминесценции кремния как непрямозонного полупроводника. Уменьшение размеров кристаллов кремния до единиц нанометров и встраивание их в диэлектрическую матрицу превращает кремний в совершенно новый объект с высоким квантовым выходом люминесценции и сдвигом ее максимума в видимую и ближнюю ИК - область.
Один из способов получения нанокристаллов (НК) кремния в
диэлектрической матрице является термический отжиг
нестехиометрического оксида кремния SiOx (где х<2). Данный метод выделяется на фоне других своей простотой и возможностью управлять структурно-морфологическими свойствами НК кремния. Минусом данной технологии является неконтролируемый рост НК в процессе термического отжига.
Имплантация ионов углерода в пленки БіОг может препятствовать
разрастанию кластеров кремния путем сегрегации углерода на поверхности
нанокристаллов с возможным образованием НК SiC, имеющих
интенсивную люминесценцию в зеленой области. Таким образом, использование пленок Si02 с НК кремния и карбида кремния может полностью перекрыть видимый диапазон излучения. Но пока убедительно доказать формирование карбида кремния и его влияние на рост НК Si на сегодняшний день никому не удалось.
Неконтролируемый рост кластеров кремния в процессе достаточно длительного высокотемпературного отжига можно попробовать исключить путем замены термического отжига на импульсно фотонный отжиг (ИФО). Преимущество ИФО состоит в его скоротечности (время обработки ~ 1с) и
хорошо себя зарекомендовано при восстановлении структур после ионного легирования.
Анализ состава и структуры нанообъектов представляет собой достаточно трудную задачу в силу малости размеров структурных элементов их составляющих. Поэтому, использование мягкой рентгеновской спектроскопии эмиссии (УМРЭС) и поглощения (XANES), чувствительных к локальному окружению излучающих и поглощающих атомов в сочетании с просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и рентгеноструктурного анализа может позволить в значительной степени решить вопрос о составе и структуре нанообъектов.
Цель работы. Изучить влияние имплантации С+ на фазовый состав, электронное строение и фотолюминесценцию пленок SiOx/c-Si после термического или ИФО отжига.
Основные задачи работы:
-
Доказать формирование НК Si в аморфной матрице Si02 после имплантации углерода,оценить их средние размеры и выяснить возможность их преимущественной ориентации вдоль подложки Si(l 11) и Si(100).
-
Выяснить структурно-морфологические особенности формирования нанокристаллов кремния и возможность формирования НК карбида кремния внутри слоев SiOx/Si после отжига.
-
Изучить влияние имплантации ионов углерода на электронно-энергетическое строение и фотолюминесцентные свойства пленок SiOx.
-
Выяснить особенности формирования НК Si и SiC и спектра фотолюминесценции при ИФО обработки слоев SiOx/Si, имплантированных углеродом.
Научная новизна работы:
-
Впервые показано, что ионная имплантация углерода и термический отжиг пленок SiOx/Si приводит к перераспределению кремния вглубь пленки в сторону максимума распределения радиационных дефектов.
-
Показана преимущественная ориентация нанокристаллов кремния относительно плоскости подложки в диэлектрической матрице Si02 на подложках кремния (111) и (100) после термического отжига.
-
Установлено, что после имплантации углерода и термического отжига в слоях Si02 образуются два массива нанокристаллов кремния со средними размерами в единицы и десятки нанометров.
-
Обнаружено энергетическое смещение аномального эффекта взаимодействия электромагнитного излучения со структурой SiOx:nc-Si/c-Si после имплантация углерода и последующего отжига.
-
Впервые установлено, что импульсно фотонный отжиг слоев SiOx/c-Si, имплантированных углеродом, приводит к заметному образованию
нанокристаллической фазы SiC и резкой перестройке спектра
фотолюминесценции в видимую область.
Практическая значимость. Результаты, полученные в работе, могут быть использованы при оптимизации технологий формирования квантово -размерных структур на кремнии, обладающих люминесценцией с высоким квантовым выходом, а также при разработке методик контроля размеров нанокристаллов кремния в аморфной матрице.
Теоретическая значимость. Впервые показано, что формирование нанокристаллов кремния и карбида кремния в глубоких слоях матрицы Si02 может приводить к изменению плотности потока электромагнитного поля на ее поверхности при взаимодействии с рентгеновским излучением, длина волны которого сопоставима с размерами этих включений. Это явление создает дополнительные диагностические возможности для анализа структуры и морфологии подобных систем методом спектроскопии рентгеновского поглощения.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Отжиг при температуре 1100С пленок SiOx/Si после имплантации углерода приводит к формированию НК кремния, которые ориентируются вдоль подложки кремния (111) и (100).
-
Имплантация ионов углерода в пленки SiOx/Si и последующий высокотемпературный отжиг приводят к перераспределению кремния, образующегося при разложении SiO, в область максимума залегания имплантированного углерода.
-
При ИФО обработке в пленках SiOx, имплантированных углеродом, идет формирование нанокристаллов карбида кремния, что сопровождается яркой люминесценцией в видимом диапазоне от 460 до 800 нм.
-
Формирование нанокристаллов Si и SiC в глубине пленки Si02 может оказывать существенное влияние на интенсивность внешнего рентгеновского фотоэффекта, возникающего на поверхности пленки при воздействии синхротронным излучением с энергией фотона близкой к энергии L2j3 края поглощения кремния.
Достоверность результатов работы обеспечивается использованием комплексного подхода в изучении электронно-энергетического строения, фазового состава и фотолюминесценции наноструктурированных систем с использованием современной экспериментальной техники для рентгеновской и электронной дифракции, электронной микроскопии, ультрамягкой рентгеновской эмиссии и поглощения и фотолюминесценции, а также современного программного обеспечения. Часть экспериментов проводилась в крупном мировом центре коллективного пользования с самым современным аналитическим оборудованием (синхротронный центр SRC, США).
Личный вклад автора. Осаждение пленок SiOx/Si, ионное облучение и термический отжиг были выполнены в ННГУ, а ИФО отжиг в ВГТУ. Подготовка образцов для исследований электронного строения методами УМРЭС, XANES, а также их препарирование для ПЭМ исследований были проведены автором самостоятельно. Данные эмиссионной спектроскопии были получены лично автором, а результаты измерений края рентгеновского поглощения с использованием синхротронного излучения в составе группы под руководством Турищева С. Ю. Данные рентгеновской дифракции, фотолюминесценции и ПЭМ были получены совместно с сотрудниками ВГУ (Д.А. Минаков, А.А. Синельников, И.Е. Занин) и ВГТУ (С.А. Солдатенко). Автором самостоятельно был произведен анализ электронного строения, структуры и морфологии исследуемых объектов. Планирование экспериментов и обсуждение результатов проводилось совместно с научным руководителем, а также с научным сотрудником кафедры физики твердого тела и наноструктур Турищевым СЮ.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Международный молодежный научный форум «ЛОМОНОСОВ-2010», «ЛОМОНОСОВ-2013» (Москва, 2010, 2013); Международная конференция "Кремний" (Н.Новгород, 2010, Москва, 2011); 12 Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике (С.Петербург 2010); Всероссийская школа-семинар студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению "Диагностика наноматериалов и наноструктур" (Рязань, 2011); 12th international conference on electron spectroscopy and structure (ICESS-12) (Saint-Malo, France, 2012); VI Всерос. Конф. «Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах «ФАГРАН-2012» (Воронеж, 2012); XIII Международная научно-техническая конференция «Кибернетика и высокие технологии XXI века» (Воронеж 2012); 20-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика» (Зеленоград, 2013), XXI Всероссийская конференция «Рентгеновские и электронные спектры и химическая связь» (Новосибирск 2013).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 3 статьи в научных изданиях, рекомендованных ВАК для публикации результатов диссертационных работ, 2 статьи в сборниках трудов конференций и 7 тезисов докладов.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Объем диссертации составляет 108 страниц, включая 50 рисунков, 4 таблицы, список литературы, который содержит 116 наименований и список публикаций по теме диссертации.
