Исследование поверхностного распределения атомов примеси серебра в кремнии

Аннотация

В статье представлены результаты исследования поверхностных состояний атомов серебра в кремнии методом Рамановской спектроскопии. Показано, что легирование кремния серебром приводит к изменению спектров КР, появлению новых пиков и асимметрии основного пика. Это свидетельствует о наличии колебаний типа AgO, образовании комплексных дефектов с атомами кислорода и частичном замещении атомов кремния атомами серебра. Ключевые слова: Рамановская спектроскопия, кремний, серебро, диффузия, дефекты. Известно, что параметры различных приборов на основе кремниевых структуры в некоторой степени зависит от типа неконтролируемых примесей – кислород, углерод, металлы, находящихся в кремниевой пластине или вводимых в процессе изготовления приборов. Несмотря на многочисленные исследования, проводимые разными учеными, нет четкой картины микроскопической структуры дефектов, с которыми связаны атомы переходных и редкоземельных элементов в кремнии. Например, авторы работы [1] показали, что подавляющее большинство атомов Ag находятся в позициях внедрения 58 (Ag); и что замещающее серебро (Ag ), либо не встречается, либо встречается только в I S очень низких концентрациях. Используя исследования ЭПР, авторы [2] идентифицировали этот изолированный Ag, который представляет собой лишь небольшую часть от общего количества присутствующих примесных атомов серебра. Спектроскопия комбинационного рассеяния оказалась ключевым экспериментальным методом благодаря своей способности выявлять структурные и электронные эффекты в неразрушающих измерениях. Раман спектроскопия — быстрый и удобный метод изучения колебательных и структурных свойств материалов — широко применяется для исследования структуры кристаллических и аморфных кремниевых полупроводников. Комбинационное рассеяние может измерять изменения частот колебаний, вызванные микроструктурой или наличием локальных деформаций, которые могут быть вызваны искажением валентного угла. В данной работе рассматриваются поверхностные состояния атомов серебра и гадолиния в кремнии методом Рамановской спектроскопии. Для измерений были выбраны образцы кремния n-типа (ρ=7.5 Ω·cm, N ≈ 6·1014 см- D 3) выращенные методом Чохральского. Легирование примесями серебра и гадолиния проводилось диффузионным методом при температуре 11000С в течение 7-10 ч. Полная растворимость атомов серебра в кремнии при этой температуре достигается до ~ 6,5·1015 см-3. Спектры комбинационного рассеяния (КРС) были получены на спектрометре InVia Raman фирмы Renishaw, с использованием длины волны возбуждения 785 нм, время интегрирования составляло 10с. Из теории известно, что механизмы диффузии позволяют атомам примесей, находиться двух состояниях: а) S-узельное состояние, т.е. атомы замещения; б) I- межузельное состояния - атомы внедрения. Спектры КР света монокристаллического кремния Si симметричный высокий пик в области 521 см-1 шириной на полувысоте 8–12 см–1. Интенсивность рассеяния первого порядка при 521 см-1, обусловленного поперечными (TO) и продольными (LO) оптическими фононами. В отличие от основного пика, можно наблюдать рассеяние на акустических фононах второго порядка при 303 см-1 (ТА). Некоторые авторы предполагают, что этот пик соответствует модам LA [3], но точного подтверждения этому факту нет. Вероятно, мы наблюдаем наложение поперечных и продольных акустических мод. Также имеется широкий пик между 920–1000 см-1, который обусловлен рассеянием нескольких поперечных оптических фононов ~2TO фононов. На сегодняшний день нет единого мнения о происхождении широкого пика. Некоторые авторы утверждают, что этот пик формируется суперпозицией двух или более оптических мод [4]. Как видно из рисунка рис.1 дальнейшее легирование монокристаллов n-Si атомами примеси серебра приводит к некоторому изменению спектров КР. В спектре наблюдается некоторая асимметричность пика при 521 см-1 со стороны меньших частот рассеяния. Кроме того, подъем основного пика Si на левом крыле в области при 303–489 см-1 свидетельствует о наличии колебании типа AgO. Авторы работы [5] в этой области наблюдали моды при 302, 379, 429, 467 и 487 см-1 связанные с комбинационными колебаниями AgO. 59 Si TO+LO д.) е н. т о ь ( т с о н в и Si с 2TA н Ag-O е Si т Si 2TO н TA И 500 1000 Раман сдвиг (см-1) Рис.2. Спектр КР кремния, легированного атомами серебра. Колебательные моды: Si – TA 145 см-1, Si – 303 cм-1, Ag-O– 303÷489 cм-1, Si – 521 cm-1, Si – 920-1000 см-1. 2TA TO+LO 2TO При сравнении спектров КР образцов Si и n-Si было выявлено, что после легирования атомами Ag интенсивность основного колебания при 521 см–1 незначительно уменьшилось, возможно это связано с частично узельным механизмом диффузии атомов серебра в кремнии. Кроме этого в спектре КР образца Si виден небольшой широкий пик области 145 см-1, интенсивность которого прямо пропорционален с концентрацию атомов Ag. Появление этого рассеяние свидетельствует о наличии в приповерхности преципитатов (включений) кислорода в кремнии в аморфной (SiOx) и кристаллической (SiO ) форме ростового характер