Влияние термического и импульсного лазерного отжига на фотолюминесценцию CVD-пленок нитрида кремния

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 SiN_1,1, 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.

1. Singh 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.171.1

2. Mercaldo 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/10.1063/1.3575172

3. Shuleiko 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/S1063782617020208

4. Kistner 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/10.1063/1.3607975

5. Hiller 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/10.1063/1.4878699

6. Vlasukova 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/s10812-015-0117-9

7. Parkhomenko 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.2017.02.027

8. Joshi 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/123456789/24418

9. Volodin 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/10.1063/1.122130

10. Choi 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.2016.03.017

11. Yang 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