ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ КРЕМНИЯ ИМПЛАНТИРОВАННОГО ИОНАМИ МЕДИ

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ КРЕМНИЯ ИМПЛАНТИРОВАННОГО ИОНАМИ МЕДИ

Научная статья

Хожиев Ш.Т.¹, Ганиев А.А.^2, *, Ротштейн В.М.³,Косимов И.О.⁴, Муродкобилов Д.М.⁵

² ORCID: 0000-0003-1879-1931;

^{1, 2, 4, 5} Ташкентский государственный технический университет, Ташкент, Узбекистан;

³ Институт ионно-плазменных и лазерных технологий, Ташкент, Узбекистан

* Корреспондирующий автор (abduvohidganiyev330[at]mail.ru)

Аннотация

Экспериментально обнаружены и исследованы различные пики в спектре комбинационного рассеяния (КРС) образцов кремния, имплантированных ионами меди. На основе данных КРС, полученных для образцов с различными режимами имплантации Сu и лазерного отжига, исследована динамика трансформации микроскопической структуры приповерхностного слоя кремния. Полученные экспериментальные данные хорошо объясняются наличием локальных атомов Сu в узлах кристаллической решетки.

Ключевые слова: кремний, имплантация, ионы меди, спектр комбинационного рассеяния, микроструктура.

STUDY OF SILICON SURFACE IMPLANTED WITH COPPER IONS

Research article

Khojiyev Sh.T.¹, Ganiyev А.А.^2, *, Rotshteyn V.М.³, Коsimov I.О.⁴, Мurodkobilov D.М.⁵

² ORCID: 0000-0003-1879-1931;

^{1, 2, 4, 5} Тashkent State Technical University, Tashkent, Uzbekistan;

³ Institute of ion-plasma and laser technologies, Tashkent, Uzbekistan

* Corresponding author (abduvohidganiyev330[at]mail.ru)

Abstract

Various peaks in the Raman spectrum of silicon samples implanted with copper ions were found and studied experimentally. The dynamics of transformation of the microscopic structure of the near-surface layer of silicon is studied on the basis of Raman scattering data obtained under various modes of Cu implantation and laser annealing. The obtained experimental data are well explained by the presence of local Cu atoms in the nodes of the crystal lattice.

Keywords: silicon, implantation, copper ion, Raman spectrum, microstructure.

Введение

При введении в кремний тяжелых элементов происходят такие интересные эффекты как: низкотемпературная рекристаллизации, с выделением газа [4] и примеси водорода [5], химическая активность инертных тяжелых газов [1], а также образование пористой структуры [2], сопровождаемое усилением КРС и люминесценции [3]. Также значительный интерес к физической природе этих эффектов наблюдается в следствии появления новых практических приложений. Методом КРС было исследовано преобразование микроскопической структуры кристаллической решетки кремния и ее динамических свойств при различных режимах имплантации и лазерного отжига [6], [7].

Методы и принципы исследования

Исследования проводились на InVia Raman Spectrometer, производства компании «Renishaw» (Великобритания) (см. рисунок 1). Работа спектрометра основана на методе спектроскопии комбинационного рассеяния света, или рамановской спектроскопии. Использование данного метода обеспечивает проведение идентификации, качественного и количественного анализа органических и неорганических веществ.

В качестве образцов исследовались пластины монокристаллического кремния КДБ-0.5, (кремний с дырочной электропроводностью, легированный бором, с удельным сопротивлением 0.5 Ом/см. Измерения велись при комнатной температуре. В качестве источника возбуждения использовался Cobolt CW 532 nm DPSS лазер с длиной волны излучения 532 нм и номинальной энергией 100 мВт. В процессе измерений использовалась дифракционная решётка с периодом 1800 линий/мм, а в качестве регистрирующего устройства – штатный детектор Renishaw CCD Camera.

 

Рис. 1 – Общий вид InVia Raman Spectrometer

 

Лазерный луч фокусировался на поверхность образцов в пятно диаметром 10 мкм. Мощность излучения на поверхности образца варьировалась в зависимости от величины выходного сигнала на детекторе. Объектив со 100-кратным увеличением использовался для фокусировки возбуждающего света, а также для сбора рассеянного света. Время экспозиции составляло 10 секунд, при этом измерения проводились в режиме "extended", которое позволяет проводить измерения в требуемом спектральном диапазоне длин волн.

Основные результаты и их обсуждение

Полученные спектры КРС позволили проследить трансформацию структуры приповерхностного слоя толщиной ~ 100 нм и локализацию атомов Сu в матрице Si по мере повышения дозы имплантации, а также при увеличении энергии лазерного облучения. В исходных имплантированных образцах спектр КРС соответствует в основном аморфному состоянию приповерхностного слоя Si. На рис. 2 представлено изображение исследуемого участка поверхности образца, полученное с использованием штатного микроскопа InVia Raman Spectrometer.

 

Рис. 2 – Изображение участка поверхности исследуемого образца

На рис. 3 представлен спектр комбинационного рассеяния исследуемого образца монокристаллического кремния, полученный нами с использованием InVia Raman Spectrometer в режиме, описанном ранее [6], [7].

 

Рис. 3 – Спектр комбинационного рассеяния исследуемого образца

 

Анализируя полученный данный спектр, следует отметить, что он, наряду с другими полосами, содержит три полосы с максимумами при 301, 363 и 623 см^–1. Положения максимумов этих полос близки к соответствующим значениям для CuO, что было определено в [4]. Это позволяет предположить, что исследуемая плёнка имеет химический состав, близкий к CuO. А появление таких полос, как (114, 141, 165, 218) см^–1, связано с несовершенством кристаллической структуры Cu₂O и наличием, наряду с кристаллической, аморфно-кристаллической структуры, что следует из результатов исследований, проведенных авторами работы [3]. Следует отметить, что для удаления пиков, ответственных за Cu₂O и образованных из-за различных точечных дефектов, возникающих в процессе ионной имплантации, применяется последующий отжиг уже имплантированных образцов в вакууме при температуре 500⁰С.

 

Рис. 4 – Спектры комбинационного рассеяния чистого кремния

Рис. 5 – Спектры комбинационного рассеяния кремния имплантированного ионами меди

 

На рис. 4 и 5. показаны спектры комбинационного рассеяния чистого кремния и кремния, имплантированного ионами меди. Используя то, что при возникновении напряжений и дефектов в кристаллической решетке образца происходит соответствующее изменение положения и формы пика кремния в спектре комбинационного рассеивания, можно оценить наличие, или отсутствие таких напряжений и дефектов, исходя из изменения частоты собственных колебаний монокристаллического кремния и изменения отношения площадей левого и правого Region на соответствующих спектрах (см. рисунки 4 и 5).

Также в ряде работ [3], [4], [5] наблюдалось незначительное (~3см^-1) увеличение частоты собственных колебаний монокристаллического кремния. Это связывалось с наличием механических напряжений, возникающих благодаря различиям постоянных решеток эпитаксиальной пленки кремния и подложки [5], или вследствие локального лазерного отжига аморфного слоя. Кроме того, это может быть и из-за локального возмущения легирующей примесью замещения [3]. Изучение влияния легирования показало, что как диффузионное легирование, так и в еще большей мере ионная имплантация донорной примеси понижают температуру начала рекристаллизации, что хорошо объясняется повышением концентрации вакансий при таком легировании. Легирование акцепторной примесью (бором) замедляет рост зерен. Примеси никогда не ведут себя как в металлах, в которых примесь всегда тормозит рекристаллизацию. Начало рекристаллизации сопровождается изменением электрофизических свойств. В частности, в поликристаллических плёнках кремния (ППК) при этом понижается поверхностное сопротивление, что важно для ППК в метал-оксид-полупроводниковых (МОП) структурах.

Наибольший интерес представляет изучение влияния кислорода на структуру ППК, поскольку кислород практически всегда присутствует в пленках кремния. Источником кислорода в пленках являются атмосфера отжига и изолирующие слои SiО₂. Кислородные включения резко повышают термическую стабильность пленок, особенно аморфных [3]. Можно отметить, что природа и механизм низкотемпературной рекристаллизации с газовыделением остаются еще недостаточно изученными, однако на основании полученных в настоящей работе экспериментальных данных можно предположить, что процесс рекристаллизации стимулируется локальными напряжениями. Этот вывод подкрепляется экспериментально проверенными результатами о процессе кристаллизации аморфного кремния. Полученные экспериментальные данные хорошо объясняются наличием локальных атомов Сu в узлах кристаллической решетки.

Заключение

По результатам наших исследований можно сделать вывод о том, что спектры комбинационного рассеяния образцов монокристаллического кремния, имплантированного ионами меди, могут быть использованы в качестве инструмента для проведения оценки их структурного совершенства и содержания собственных и примесных дефектов, а также присутствия в кристаллах неконтролируемых примесей и кислорода. Полученные результаты представляют существенный интерес для исследований в области микроэлектроники, дефектообразовании, а также при создании материалов для оптоэлектроники и нанотехнологии.

Конфликт интересов Не указан

Conflict of Interest None declarated

Список литературы / References

1. Тартаковский И.И. Спектроскопия комбинационного рассеяния света как метод для изучения материалов и "in-situ" исследования токообразующих реакций в композиционных электродах. ТОТЭ / И.И. Тартаковский, Д.А. Агарков. М.: Наука, 2008. – С. 76.
2. Афанасьев В.П. Исследование плёнок оксидов меди, полученных методом реактивного магнетронного распыления с разным составом газовой смеси аргон-кислород / В.П. Афанасьев и др // Физико-химические проблемы возобновляемой энергетики: сборник трудов конференции, Санкт-Петербург, 16–18 ноября 2015г.–СПб: Издательство Политехнического университета, 2015.– С. 216–217.
3. Горелик С.С. Материаловедение полупроводников и диэлектриков / С.С. Горелик, М.Я. Дашевский. – М. : МИСИС, 2003.
4. Meyer B.K. Binary copper oxide semiconductor: from materials towards devices / B.K. Meyer, A.Polity, D.Reppin et al. // Phys. Stat. Solid. B. – 2012. – Vol. 249. – Р. 1–23.
5. Fujimoto K. Fabrication and characterization of copper oxide-zinc oxide solar cells prepared by electrodeposition / K.Fujimoto, T.Oku, T.Akiyama, A.Suzuki // J. of Phys.: Conf. Ser. – 2013. – Vol. 433. – P. 012024.
6. Исследование спектров фотолюминесценции образцов селенида цинка методом Рамановской спектроскопии / Ш.Т. Хожиев [и др.]. // Universum: Технические науки: электронный научный журнал. 2020. № 4(73).
7. Исследование кремния легированного ионами бора спектроскопией комбинационного рассеяния (Raman spectroscopy) / Ш.Т. Хожиев [и др.]. // Высшая школа. Научно-практический журнал. № 3 2020.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Tartakovskij I.I. Spektroskopija kombinacionnogo rassejanija sveta kak metod dlja izuchenija materialov i "in-situ" issledovanija tokoobrazujushhih reakcij v kompozicionnyh jelektrodah. [Raman spectroscopj as a method for studjing materials and "in-situ" studies of current-forming reactions in composite electrodes] TOTJe / I.I. Tartakovskij, D.A. Agarkov // M. Nauka. 2008g. P. 76. [in Russian]
2. Afanas'ev V.P Issledovanie pljonok oksidov medi, poluchennyh metodom reaktivnogo magnetronnogo raspylenija s raznym sostavom gazovoj smesi argon-kislorod [Investigation of copper oxide films obtained by reactive magnetron sputtering with different composition of argon-oxygen gas mixture] / V.P. Afanas'ev et al. // Fiziko-himicheskie problemy vozobnovljaemoj jenergetiki: sbornik trudov konferencii, Sankt-Peterburg, 16–18 nojabrja 2015g.–SPb: Izdatel'stvo Politehnicheskogo universiteta, 2015. – P. 216–217. [in Russian]
3. Gorelik S.S. Materialovedenie poluprovodnikov i dijelektrikov. [Materials science of semiconductors and dielectrics] / S.S. Gorelik, M.Ja. Dashevskij– M. : MISIS, 2003. [in Russian]
4. Meyer B.K. Binary copper oxide semiconductor: from materials towards devices / B.K. Meyer, A.Polity, D.Reppin et al. // Phys. Stat. Solid. B. – 2012. – Vol. 249. – Р. 1–23.
5. Fujimoto K. Fabrication and characterization of copper oxide-zinc oxide solar cells prepared by electrodeposition / K.Fujimoto, T.Oku, T.Akiyama, A.Suzuki // J. of Phys.: Conf. Ser. – 2013. – Vol. 433. – P. 012024.
6. Issledovanie spektrov fotoljuminescencii obrazcov selenida cinka metodom Ramanovskoj spektroskopii [Investigation of photoluminescence spectra of zinc selenide samples by Raman spectroscopy] / Sh.T. Khozhiev et al // Universum: Tehnicheskie nauki: jelektronniy nauchniy zhurnal. 2020. № 4(73). [in Russian]
7. Issledovanie kremnija legirovannogo ionami bora spektroskopiej kombinacionnogo rassejanija (Raman spectroscopy) [Investigation of silicon doped with boron ions by Raman spectroscopy] / Sh.T. Khozhiev et al // Vysshaja shkola. Nauchno-prakticheskij zhurnal. № 3 2020. [in Russian]