xxiii πανελληνιο ÏƒÏ Î½ÎµÎ´ÏÎ¹Î¿ Ï†Ï ÏƒÎ¹ÎºÎ·Ï‚ στερεας καταστασης & επιστημης ...

Εµφύτευση Ιόντων As σε Λεπτά Υµένια Πολυκρυσταλλικού Πυριτίου
Ανεπτυγµένα σε Υπόστρωµα Χαλαζία
Χρ. Β. Λιούτας 1* , Ν. Βουρουτζής 1 , Ι. Τσιαούσης 1 , Ν. Φράγκης 1 και Α. Γ. Νασιοπούλου 2 ,
1 Τοµέας Φυσικής Στερεάς Κατάστασης, Τµήµα Φυσικής, Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης, 541 24 Θεσσαλονίκη
2 Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής, ΕΚΕΦΕ ∆ηµόκριτος, Αγία Παρασκευή, Αθήνα
*lioutas@physics.auth.gr
Το πολυκρυσταλλικό πυρίτιο σε υπόστρωµα Si παρουσιάζει έντονο τεχνολογικό ενδιαφέρον λόγω της χρήσης του στην
τεχνολογία ολοκληρωµένων κυκλωµάτων. Καθώς οι διαστάσεις των ολοκληρωµένων κυκλωµάτων µειώνονται, τα πάχη των
χρησιµοπιούµενων υµενίων γίνονται όλο και πιο λεπτά. Όταν τα πάχη αυτά φθάσουν σε διαστάσεις της τάξης των
νανοµέτρων, οι ιδιότητες τους αλλάζουν σηµαντικά. Σκοπός της παρούσας έρευνας ήταν η παρασκευή δειγµάτων
πολυγρυσταλλικού πυριτίου και η µελέτη της δυναµικής των φορέων σε αυτά όταν υφίστανται διάφορες διεργασίες ιοντικής
εµφύτευσης και ανόπτησης [1-3], χρησιµοποιώντας τεχνικές διέγερσης µε υπερταχείς παλµούς λέιζερ και µελέτης της
αποδιέγερσης. Για την µελέτη των οπτικών ιδιοτήτων των δειγµάτων µε τις τεχνικές που χρησιµοποιήθηκαν ήταν
απαραίτητο τα δείγµατα να παρασκευασθούν σε διαφανές υπόστρωµα χαλαζία. Τα υµένια µε πάχος της τάξης των µερικών
νανοµέτρων έως δεκάδων νανοµέτρων παρουσιάζουν νανοκρυσταλλική δοµή.
Στην παρούσα εργασία µελετήθηκαν τα δοµικά χαρακτηριστικά υµενίων ονοµαστικού πάχους 10 και 20 nm τα οποία
υπέστησαν ιοντική εµφύτευση µε υψηλή δόση ιόντων αρσενικού και στην συνέχεια ανόπτηση σε υψηλή θερµοκρασία. Η
δόση εµφύτευσης ήταν 2×10 16 και η ενέργεια 35keV, ενώ οι θερµοκρασίες ανόπτησης 500, 800 και 1100 ο C. Τα δείγµατα
µελετήθηκαν µε συµβατική και υψηλής διακριτικής ικανότητας ηλεκτρονική µικροσκοπία. Μελετήθηκαν δύο πάχη
δειγµάτων, µε ονοµαστκά πάχη 10 και 20 nm και αντίστοιχα µετρηµένα πάχη: α) 12.5±1 και β) 23.5±1 nm. ∆είγµατα
κατάλληλα για παρατηρήσεις εγκαρσίου τοµής ετοιµάστηκαν µε µηχανική λείανση συνοδευόµενη µε λείανση µε δέσµη
ιόντων Ar + , ενώ δείγµατα για επίπεδη παρατήρηση (planar view) παρασκευάσθηκαν µε χηµική λείανση του υποστρώµατος
του χαλαζία µε HF.
Οι εικόνες περίθλασης από τα αρχικά δείγµατα, πριν την εµφύτευση, φανερώνουν την πολυκρυσταλλικότητα των
υµενίων (Σχήµα 1). Αυτό επιβεβαιώνεται και από τα είδωλα φωτεινού και σκοτεινού πεδίου (Σχήµα 2). Στο λεπτότερο
υµένιο το µέγιστο µέγεθος των νανοκρυστάλλων φθάνει τα 14±1 nm και στο παχύτερο τα 26±1 nm.
Η µελέτη των υπολοίπων δειγµάτων έδειξε ότι, ανεξαρτήτως του αρχικού πάχους, τα υµένια στα οποία έγινε εµφύτευση
ιόντων As και στη συνέχεια είτε δεν υπέστησαν ανόπτηση, είτε υπέστησαν ανόπτηση στους 500 ο C, εµφανίζονται να είναι
κυρίως άµορφα, µε ένα µικρό βαθµό κρυσταλλικότητας . Η αντίστοιχη εικόνα περίθλασης παρουσιάζεται στο Σχήµα 3α.
Αντιθέτως, τα υµένια τα οποία υπέστησαν ανόπτηση στους 800 και 1100 ο C εµφανίζονται πολυκρυσταλλικά. Το µέγεθος
των νανοκρυστάλλων αυξάνεται µε τη θερµοκρασία. Αυτό πιστοποιείται τόσο από τις εικόνες περίθλασης (Σχήµα 3β και γ),
όσο και από τα είδωλα φωτεινού και σκοτεινού πεδίου. Για το δείγµα των 800 ο C το µέγεθος µεταβάλλεται από λίγα µέχρι
25 nm, ενώ για το δείγµα των 1100 ο C παρατηρήθηκαν νανοκρύσταλλοι µε διαστάσεις, παράλληλα προς την διεπιφάνεια
υµενίου/υποστρώµατος, µεταξύ 100 και 200 nm (Σχήµα 4). Είναι αξιοσηµείωτο ότι στο δείγµα αυτό εµφανίζονται δύο ζώνες
εγκλεισµάτων στο υπόστρωµα χαλαζία. Από τις εικόνες περίθλασης και τα αντίστοιχα είδωλα προκύπτει ότι πρόκειται για
εγκλείσµατα πλούσια σε As, το οποίο υπάρχει κυρίως ως άµορφο.
Συµπερασµατικά, η εµφύτευση του As, αµορφοποιεί τα υµένια του Si και για την επανακρυσταλλοποίησή τους
απαιτείται ανόπτηση πάνω από δεδοµένη τιµή θερµοκρασίας. Για θερµοκρασίες πάνω από αυτό το όριο, το µέγεθος των
νανοκρυστάλλων Si, αυξάνεται µε τη θερµοκρασία ανόπτησης.
ΑΝΑΦΟΡΕΣ
[1] E. Lioudakis, A. G. Nassiopoulou and A. Othonos, Appl. Phys. Lett. 90 (2007).
[2] E. Lioudakis, A. G. Nassiopoulou and A. Othonos, Appl. Phys. Lett. 88, 181107(2006).
[3] Emmanouil Lioudakis, Andreas Othonos, A. G. Nassiopoulou, Ch. B. Lioutas and N. Frangis, Appl. Phys. Lett. 90 (2007)
191114.
34