vestifmИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-математических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physics and Mathematics Series1561-24302524-2415The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-2430-2019-55-2-225-231vestifm-390Research ArticleФИЗИКАPHYSICSВлияние термического и импульсного лазерного отжига на фотолюминесценцию CVD-пленок нитрида кремнияEffect of thermal and pulse laser annealing on photoluminescence of CVD silicon nitride filmshttps://orcid.org/0000-0003-0982-3938ПархоменкоИ. Н.ParkhomenkoI. N.

Пархоменко Ирина Николаевна – кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник НИЛ «Материалов и приборных структур микро- и наноэлектроники»

ул. Курчатова, 5, 220108, г. Минск, Республика Беларусь

 

Irina N. Parkhomenko – Ph. D. (Physics and Mathematics), Senior Researcher at the Materials and Device Structures for Micro- and Nanoelectronics Laboratory

5, Kurchatov Str., 220108, Minsk, Republic of Belarus

parkhomenko@bsu.byРомановИ. А.RomanovI. A.

Романов Иван Александрович – аспирант факультета радиофизики и компьютерных технологий, младший научный сотрудник НИЛ «Материалов и приборных структур микро- и наноэлектроники»

ул. Курчатова, 1, 220108, г. Минск, Республика Беларусь

Ivan A. Romanov – Postgraduate Student at the Faculty of Physical Electronics and Nanotechology, Junior Researcher at the Materials and Device Structures for Micro- and Nanoelectronics Laboratory

1, Kurchatov Str., 220108, Minsk, Republic of Belarus

romivan@bsu.byМоховиковМ. А.MakhavikouM. A.

Моховиков Максим Александрович – младший научный сотрудник лаборатории элионики

ул. Курчатова, 7, 220108, г. Минск, Республика Беларусь

Maxim A. Makhavikou – Junior Researcher at the Elionics Laboratory

7, Kurchatov Str., 220108, Minsk, Republic of Belarus

m.mohovikov@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-8273-6908ВласуковаЛ. А.VlasukovaL. A.

Власукова Людмила Александровна – кандидат физико-математических наук, заведующий НИЛ «Материалов и приборных структур микро- и наноэлектроники»

ул. Курчатова, 5, 220108, г. Минск, Республика Беларусь

Liudmila A. Vlasukova – Ph. D. (Physics and Mathematics), Head of the Materials and Device Structures for Micro- and Nanoelectronics Laboratory

5, Kurchatov Str., 220108, Minsk, Republic of Belarus

vlasukova@bsu.byИвлевГ. Д.IvlevG. D.

Ивлев Геннадий Дмитриевич – кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник НИЛ «Материалов и приборных структур микро- и наноэлектроники»

ул. Курчатова, 7, 220108, г. Минск, Республика Беларусь

Gennady D. Ivlev – Ph. D. (Physics and Mathematics), Leading Researcher of Materials and Device Structures for Micro- and Nano electronics Laboratory

7, Kurchatov Str., 220108, Minsk, Republic of Belarus

ivlev@bsu.byhttps://orcid.org/0000-0001-8292-8942КомаровФ. Ф.KomarovF. F.

Комаров Фадей Фадеевич – член-корреспондент НАН Беларуси, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией элионики

ул. Курчатова, 7, 220108, г. Минск, Республика Беларусь

Fadei F. Komarov – Corresponding Member of NAS of Belarus, Dr. Sc. (Physics and Mathematics), Professor, Head of the Elionics Laboratory

7, Kurchatov Str., 220108, Minsk, Republic of Belarus

komarovf@bsu.byКовальчукН. С.KovalchukN. S.

Ковальчук Наталья Станиславовна – кандидат технических наук, заместитель главного инженера

ул. Казинца, 121 А, 220108, г. Минск, Республика Беларусь

Natalia S. Kovalchuk – Ph. D. (Engineering), Deputy Chief Engineer

121 A, Kazintsa Str., 220108, Minsk, Republic of Belarus

7033696@mail.ruМудрыйА. В.MudryiA. V.

Мудрый Александр Викторович – кандидат физико-математических наук, главный научный сотрудник

ул. П. Бровки, 19, 220072, г. Минск, Республика Беларусь

Alexander V. Mudryi – Ph. D. (Physics and Mathematics), Chief Researcher

19, P. Brovka Str., 220072, Minsk, Republic of Belarus

mudryi@ifttp.bas-net.byЖивулькоВ. Д.ZhivulkoV. D.

Живулько Вадим Дмитриевич – младший научный сотрудник

ул. П. Бровки, 19, 220072, г. Минск, Республика Беларусь

Vadim D. Zhivulko – Junior Researcher

19, P. Brovka Str., 220072, Minsk, Republic of Belarus

vad.zhiv@gmail.comШулейкоД. В.ShuleikoD. V.

Шулейко Дмитрий Валерьевич – аспирант физического факультета

Ленинские горы, 1, 119991, г. Москва, Российская Федерация

Dmitry V. Shuleiko – Postgraduate Student of the Faculty of Physics

GSP-1, Leninskiye Gory, 119991, Moscow, Russian Federation

shuleyko.dmitry@physics.ruКашаевФ. В.KashaevF. V.

Кашаев Федор Владимирович – аспирант физического факультета

Ленинские горы, 1, 119991, г. Москва, Российская Федерация

Fedor V. Kahaev – Postgraduate Student of the Faculty of Physics

GSP-1, Leninskiye Gory, 119991, Moscow, Russian Federation

kashaev.fedor@gmail.comБелорусский государственный университетBelarusian State UniversityИнститут прикладных физических проблем им. А. Н. Севченко Белорусского государственного университетаA. N. Sevchenko Institute of Applied Physical Problems of the Belarusian State UniversityОАО «Интеграл»Joint Stock Company “Integral”Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедениюScientific and Practical Materials Research Center of the National Academy of Sciences of BelarusМосковский государственный университет им. М. В. ЛомоносоваLomonosov Moscow State University201928062019552225231Copyright © Пархоменко И.Н., Романов И.А., Моховиков М.А., Власукова Л.А., Ивлев Г.Д., Комаров Ф.Ф., Ковальчук Н.С., Мудрый А.В., Живулько В.Д., Шулейко Д.В., Кашаев Ф.В., 20192019Пархоменко И.Н., Романов И.А., Моховиков М.А., Власукова Л.А., Ивлев Г.Д., Комаров Ф.Ф., Ковальчук Н.С., Мудрый А.В., Живулько В.Д., Шулейко Д.В., Кашаев Ф.В.Parkhomenko I.N., Romanov I.A., Makhavikou M.A., Vlasukova L.A., Ivlev G.D., Komarov F.F., Kovalchuk N.S., Mudryi A.V., Zhivulko V.D., Shuleiko D.V., Kashaev F.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestifm.belnauka.by/jour/article/view/390

Изучены светоизлучающие свойства обогащенных кремнием пленок нитрида кремния, осажденных на кремниевые подложки Si(100) методами плазмохимического осаждения (PECVD) и газофазного химического осаждения при низком давлении (LPCVD). Несмотря на сходный стехиометрический состав (отношение Si/N), пленки нитрида кремния SiN1,1, полученные различными способами, излучают в разных спектральных областях. Максимумы фотолюминесценции (ФЛ) лежат в красной (640 нм) и синей (470 нм) областях спектра для пленок, полученных методами PECVD и LPCVD соответственно. Печной и лазерный отжиг рубиновым лазером (694 нм, 70 нс) по-разному влияет на светоизлучающие свойства PECVD- и LPCVD-пленок нитрида кремния. Так, печной отжиг при температуре 600 °C приводит к резкому возрастанию интенсивности ФЛ для пленки, полученной методом PECVD, тогда как печной отжиг пленки, сформированной методом LPCVD, приводит только к тушению исходного сигнала ФЛ. Напротив, лазерный отжиг не подходит для пленки, полученной плазмохимическим методом. Для данной пленки наблюдается уменьшение интенсивности доминирующей полосы в красной области с увеличением плотности энергии в лазерном импульсе от 0,45 до 1,4 Дж/см2 . Кроме того, после облучения импульсами с энергией больше 1 Дж/см2 наблюдается абляция нитридной пленки. При этом увеличивается интенсивность свечения в синей области, природу которого мы связываем с формированием поликремния под нитридным слоем. С другой стороны, пленка, полученная методом LPCVD, демонстрирует высокую стойкость к лазерному воздействию. При этом облучение LPCVD-пленки двойным импульсом (1,4 + 2 Дж/см2) приводит к усилению сигнала люминесценции, чего не удавалось достичь с помощью печного отжига.

The light-emitting properties of Si-rich silicon nitride films deposited on the Si (100) substrate by plasma-enhanced (PECVD) and low-pressure chemical vapor deposition (LPCVD) have been investigated. In spite of the similar stoichiometry (SiN1.1), nitride films fabricated by different techniques emit in different spectral ranges. Photoluminescence (PL) maxima lay in red (640 nm) and blue (470 nm) spectral range for the PECVD and LPCVD SiN1.1 films, respectively. It has been shown that equilibrium furnace annealing and laser annealing by ruby laser (694 nm, 70 ns) affect PL spectra of PECVD and LPCVD SiN1.1 in a different way. Furnace annealing at 600 °C results in a significant increase of the PL intensity of the PECVD film, while annealing of LPCVD films result only in PL quenching. It has been concluded that laser annealing is not appropriate for the PECVD film. The dominated red band in the PL spectrum of the PECVD film monotonically decreases with increasing an energy density of laser pulses from 0.45 to 1.4 J/cm2. Besides, the ablation of PECVD nitride films is observed after irradiation by laser pulses with an energy density of > 1 J/cm2. This effect is accompanied by an increase in blue emission attributed to the formation of a polysilicon layer under the nitride film. In contrast, the LPCVD film demonstrates the high stability to pulsed laser exposure. Besides, an increase in the PL intensity for LPCVD films is observed after irradiation by a double laser pulse (1.4 + 2 J/cm2) which has not been achieved by furnace annealing.

обогащенный кремнием нитрид кремнияфотолюминесценцияпечной отжиглазерный отжигполикремнийSi-rich silicon nitridephotoluminescencefurnace annealinglaser annealingpolysiliconРабота выполнена при поддержке Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований (грант № Ф17РМ-079).This research was supported by the Belarusian Republican Foundation for Fundamental Research (grants No. Ф17РМ-079).ReferencesSingh S. P., Srivastava P. Recent progress in the understanding of Si-nanostructures formation in a-SiN x :H thin film for Si-based optoelectronic devices. Solid State Phenomena, 2011, vol. 171, pp. 1–17. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/ssp.171.1Singh S. P., Srivastava P. Recent progress in the understanding of Si-nanostructures formation in a-SiN x :H thin film for Si-based optoelectronic devices. Solid State Phenomena, 2011, vol. 171, pp. 1–17. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/ssp.171.1Mercaldo L. V., Esposito E. M., Veneri P. D., Rezgui B., Sibai A., Bremond G. Photoluminescence properties of partially phase separated silicon nitride films. Journal of Applied Physics, 2011, vol. 109, pp. 093512 (5 p.). https://doi.org/10.1063/1.3575172Mercaldo L. V., Esposito E. M., Veneri P. D., Rezgui B., Sibai A., Bremond G. Photoluminescence properties of partially phase separated silicon nitride films. Journal of Applied Physics, 2011, vol. 109, pp. 093512 (5 p.). https://doi.org/10.1063/1.3575172Shuleiko D. V., Zabotnov S. V., Zhigunov D. M., Zelenina A. A., Kamenskih I. A., Kashkarov P. K. Photoluminescence of amorphous and crystalline silicon nanoclusters in silicon nitride and oxide superlattices. Semiconductors,2017, vol. 51, no. 2, pp. 196–202. https://doi.org/10.1134/S1063782617020208Shuleiko D. V., Zabotnov S. V., Zhigunov D. M., Zelenina A. A., Kamenskih I. A., Kashkarov P. K. Photoluminescence of amorphous and crystalline silicon nanoclusters in silicon nitride and oxide superlattices. Semiconductors,2017, vol. 51, no. 2, pp. 196–202. https://doi.org/10.1134/S1063782617020208Kistner J., Chen X., Wenig Y., Strunk H. P., Schubert M. B., Werner. J. H. Photoluminescence from silicon nitride – no quantum effect. Journal of Applied Physics, 2011, vol. 110, no. 10, pp. 023520 (5 p.). https://doi.org/10.1063/1.3607975Kistner J., Chen X., Wenig Y., Strunk H. P., Schubert M. B., Werner. J. H. Photoluminescence from silicon nitride – no quantum effect. Journal of Applied Physics, 2011, vol. 110, no. 10, pp. 023520 (5 p.). https://doi.org/10.1063/1.3607975Hiller D., Zelenina A., Gutsch S., Dyakov S. A., Lopez-Vidrier L., Estrade S., Peiro F., Garrido B., Valenta J., Korinek M., Trojanek F., Maly P., Schnabel M., Weiss C., Janz S., Zachrias M. Absence of quantum confinement effects in the photoluminescence of Si3N4-embedded Si nanocrystals. Journal of Applied Physics, 2014, vol. 115, no. 20, pp. 204301 (9 p.). https://doi.org/10.1063/1.4878699Hiller D., Zelenina A., Gutsch S., Dyakov S. A., Lopez-Vidrier L., Estrade S., Peiro F., Garrido B., Valenta J., Korinek M., Trojanek F., Maly P., Schnabel M., Weiss C., Janz S., Zachrias M. Absence of quantum confinement effects in the photoluminescence of Si3N4-embedded Si nanocrystals. Journal of Applied Physics, 2014, vol. 115, no. 20, pp. 204301 (9 p.). https://doi.org/10.1063/1.4878699Vlasukova L. A., Komarov F. F., Parkhomenko I. N., Milchanin O. V., Makhavikou M. A., Mudryi A. V., Żuk J., Kopychiński P., Togambayeva A. K. Visible photoluminescence of non-stoichiometric silicon nitride films: the effect of annealing temperature and atmosphere. Journal of Applied Spectroscopy, 2015, vol. 82, no 3, pp. 386–389. https://doi.org/10.1007/s10812-015-0117-9Vlasukova L. A., Komarov F. F., Parkhomenko I. N., Milchanin O. V., Makhavikou M. A., Mudryi A. V., Żuk J., Kopychiński P., Togambayeva A. K. Visible photoluminescence of non-stoichiometric silicon nitride films: the effect of annealing temperature and atmosphere. Journal of Applied Spectroscopy, 2015, vol. 82, no 3, pp. 386–389. https://doi.org/10.1007/s10812-015-0117-9Parkhomenko I., Vlasukova L., Komarov F., Milchanin O., Makhavikou M., Mudryi A., Zhivul ko V., Żuk J., Kopyciński P., Murzalinov D. Origin of visible photoluminescence from Si-rich and N-rich silicon nitride film.Thin Solid Films, 2017, vol. 626, pp. 70–75. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2017.02.027Parkhomenko I., Vlasukova L., Komarov F., Milchanin O., Makhavikou M., Mudryi A., Zhivul ko V., Żuk J., Kopyciński P., Murzalinov D. Origin of visible photoluminescence from Si-rich and N-rich silicon nitride film.Thin Solid Films, 2017, vol. 626, pp. 70–75. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2017.02.027Joshi B. C., Eranna G., Runthala D. P., Dixit B. B., Wadhawan O. P., Vyas P. D. LPCVD and PECVD silicon nitride for microelectronics technology.Indian Journal of Engineering and Materials Sciences, 2000, vol. 7, pp. 303–309. URL http://hdl.handle.net/123456789/24418Joshi B. C., Eranna G., Runthala D. P., Dixit B. B., Wadhawan O. P., Vyas P. D. LPCVD and PECVD silicon nitride for microelectronics technology.Indian Journal of Engineering and Materials Sciences, 2000, vol. 7, pp. 303–309. URL http://hdl.handle.net/123456789/24418Volodin V. A., Efremov M. D., Gritsenko V. A., and. Kochubei S. A. Raman study of silicon nanocrystals formed in SiN x films by excimer laser or thermal annealing, Applied Physics Letters, 1998, vol. 73, no. 9, pp. 1212–1214. https://doi.org/10.1063/1.122130Volodin V. A., Efremov M. D., Gritsenko V. A., and. Kochubei S. A. Raman study of silicon nanocrystals formed in SiN x films by excimer laser or thermal annealing, Applied Physics Letters, 1998, vol. 73, no. 9, pp. 1212–1214. https://doi.org/10.1063/1.122130Choi D. H., Kim H. S., Oh S. Y., Lee C. H. Drastic improvement of as-sputtered silicon nitride thin film quality at room temperature by ArF excimer-laser annealing method. Current Applied Physics,2016, vol. 16, no. 8, pp. 876–885. https://doi.org/10.1016/j.cap.2016.03.017Choi D. H., Kim H. S., Oh S. Y., Lee C. H. Drastic improvement of as-sputtered silicon nitride thin film quality at room temperature by ArF excimer-laser annealing method. Current Applied Physics,2016, vol. 16, no. 8, pp. 876–885. https://doi.org/10.1016/j.cap.2016.03.017Yang S., Cai W., Zeng H., Li Z. Polycrystalline Si nanoparticles and their strong aging enhancement of blue photoluminescence.Journal of Applied Physics, 2008, vol. 104, no. 2, pp. 0235516 (5 p.). https://doi.org/10.1063/1.2957053Yang S., Cai W., Zeng H., Li Z. Polycrystalline Si nanoparticles and their strong aging enhancement of blue photoluminescence.Journal of Applied Physics, 2008, vol. 104, no. 2, pp. 0235516 (5 p.). https://doi.org/10.1063/1.2957053

The authors declare that there are no conflicts of interest present.