ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СВОЙСТВ НЕКОТОРЫХ МОДИФИКАЦИЙ СИЛИЦИДОВ ТИТАНА, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ БЫСТРОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ, ДЛЯ СОЗДАНИЯ ФОТОПРИЕМНИКОВ
УДК 669.2
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СВОЙСТВ НЕКОТОРЫХ МОДИФИКАЦИЙ СИЛИЦИДОВ ТИТАНА, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ БЫСТРОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ, ДЛЯ СОЗДАНИЯ ФОТОПРИЕМНИКОВ
© 2010 г. Ю. С. Емельяненко*, канд. физ.-мат. наук; В. В. Колос**; М. И. Маркевич***, доктор физ.-мат. наук; В. Ф. Стельмах****, канд. физ.-мат. наук; А. М. Чапланов***, доктор физ.-мат. наук
**** Институт физики НАН Республики Беларусь, Минск, Белоруссия
**** НПО “Интеграл”, Минск, Белоруссия
**** Физико-технический институт НАН Республики Беларусь, Минск, Белоруссия
**** Белорусский государственный университет, Минск, Белоруссия
**** Е-mail: Emelyanenko@inel.bas-net.by
Проведено исследование оптических свойств системы Au/TiSi2(C49)/Sin-типа/Si, сформированной методом быстрой термической обработки. Показано, что максимум спектральной чувствительности находится в области 750 нм. Максимальная чувствительность достигает 35 мА/Вт в диапазоне длин волн 750–800 нм. Сделан вывод о том, что на основе данной структуры, полностью совместимой с известной технологией, применяемой для изготовления полупроводниковых приборов на кремнии (кремниевая технология), возможно создание фотоприемника, чувствительного в диапазоне 350–1050 нм.
Ключевые слова: дисилицид титана, быстрая термическая обработка, оптические свойства, фотоприемник, кремниевая технология.
Коды OCIS: 040.5160
Поступила в редакцию 10.11.2009
Введение
В настоящее время существует необходимость в новых фотоприемниках для видимой и ультрафиолетовой (УФ) областей спектра, особенно совместимых с кремниевой технологией. Это, прежде всего, связано с применением их в решении задач экологии (контроль “озоновой дыры” над Землей), биотехнологии, медицине и проч., а также совмещением этих фотоприемников с большими интегральными схемами на кремниевой подложке и расширением функциональных возможностей самой микросхемы. Малогабаритные полупроводниковые фотоприемники имеют высокую эффективность и надежность, не чувствительны к магнитным полям.
Основной проблемой при создании нового типа фотоприемников является получение новых материалов и гетероструктур, на основе которых можно было бы сформировать фотоприемник с высокой фоточувствительностью [1–7].
В данной работе были проведены исследования, связанные с формированием гетерострук-
туры с применением дисилицида титана в модификации С49 для фотоприемников на основе кремниевой технологии. Ранее авторами [8] было установлено, что сформированная структура TiSi2 в модификации С49 обладает фоточувствительностью.
Целью настоящей работы являлось исследование оптических свойств системы Au/TiSi2(C49)/ Sin-типа/Si, сформированной методом быстрой термической обработки (БТО).
Методика эксперимента
При формировании системы проводилась химическая очистка подложки кремния в буферном травителе на основе HF, затем пластины кремния подвергались ионной очистке в атмосфере аргона на глубину 5 нм.
Далее на подложку кремния, имеющего ориентацию (001), методом магнетронного нанесения на установке Varian m2i последовательно осаждались пленки титана и нитрида титана на эпитаксиальный слой кремния n-типа, сфор-
72 “Оптический журнал”, 77, 8, 2010
мированный на подложке из кремния марки КДБ-12. Затем проводилась быстрая термическая обработка с использованием галогенных ламп на установке Heat Pulse 8108. Время обработки составляло 30 с при температуре 600 °С. В результате этой термообработки была синтезирована пленка дисилицида титана в модификации С49.
Исследования фазового состава пленок дисилицида титана, полученных при БТО, проводились на электронографе ЭМР-102 в отраженном свете. Для расшифровки электронограмм использовали базу данных “Of the International Centre for Diffraction Data” .
После удаления защитного слоя TiN наносился полупрозрачный слой золота толщиной около 100–150 A° методом термического осаждения. Формирование фоточувствительных площадок осуществлялось методом фотолитографии (диаметр площадок 5 мм).
Для определения спектральной чувствительности использовались интерференционные фильтры (с максимумами пропускания – 363,5, 599, 761,7, 780,5, 939,2, 1049,8 нм). Источником излучения служила типовая лампа накаливания СИРШ 8,5-200-1. Спектральная характеристика поглощения исследуемой структуры определялась методом сравнения фототоков калиброванного кремниевого фотоприемника (ФД-24к) и поверхности исследуемой структуры при одинаковых освещенностях.
фотокатализатором. В воздухе при нормальных условиях всегда содержатся пары воды, и под действием света на поверхности дисилицида титана образуются каталитически-активные комплексы и вследствие этого идет разложение воды на кислород и водород. Далее дисилицид титана в модификации С49 поглощает образующийся водород, что приводит к появлению дополнительных центров рекомбинации. Эти процессы и обуславливают падение фототока во время выдержки пленки дисилицида титана на воздухе.
В качестве полупрозрачного металлического покрытия, наносимого на поверхность дисилицида титана модификации С49, была выбрана золотая пленка толщиной 100–150 A° .
Из рис. 2 видно, что сформированная структура обладает фоточувствительностью в диапазоне 350–1050 нм. Максимум спектральной чувствительности находится в области 750 нм. Максимальная чувствительность достигает 35 мА/Вт при λ = 750–800 нм.
Результаты и обсуждение На рис. 1 представлена электронограмма пленки дисилицида титана в модификации С49, сформированной в результате БТО при температуре 600 °С. В таблице приведены значения фототока системы в зависимости от времени выдержки на воздухе при нормальных условиях. Из ее данных видно, что после выдержки исследуемой структуры в течение 1,5 часов и более фототок стабилизируется. Можно предположить, что некоторое изменение фототока во времени происходит вследствие того, что дисилицид титана является
Зависимость фототока от времени выдержки на воздухе Время выдержки, ч 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0
Фототок, мкА 14,2 13,8 13,6 13,4 13,4
“Оптический журнал”, 77, 8, 2010
Рис. 1. Электронограмма TiSi2(C49).
S, А/Вт
0,03
0,02
0,01 400 500 800 1000
Длина волны, нм Рис. 2. Спектральная характеристика фоточувствительных структур на основе TiSi2 в модификации С49.
73
Таким образом, методом БТО с использованием галогенных ламп была синтезирована поликристаллическая фоточувствительная пленка дисилицида титана в модификации С49, сформирована гетероструктура Au/TiSi2(C49)/ Sin-типа/Si и исследованы ее оптические свойства (изменение фототока во времени и спектральная чувствительность). Данная структура обладает чувствительностью в широком спектральном диапазоне и захватывает УФ область.
На основе данной структуры возможно создание фотоприемника в интервале длин волн 350–1050 нм на основе кремниевой технологии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пилипенко В.А. Быстрые термообработки в технологии СБИС. Минск: изд-во Центр БГУ, 2004. 531 с.
2. Борисенко В.Е. Твердофазные процессы в полупроводниках при импульсном нагреве. Минск: Наука и техника, 1992. 247 с.
3. Мьюрарка С.П. Силициды для БИС. М.: Мир, 1986. 175 с.
4. Пилипенко В.А., Горушко В.А., Пономарь В.Н., Пилипенко И.В. Электрофизические и механические свойства дисилицида титана, полученного с применением быстрой термообработки // Вестник БГУ. 2001. Сер. 1. № 2. С. 43–45.
5. Niess J., Paul S., Buschbaum S. Mainstream rapid thermal processing for source-drain engineering from first applications to latest results // Mat. Sci. and Eng. B. V. 114–115. P. 141–150.
6. Бурова С.В., Злобин В.П., Иевлев В.М. Формирование силицидов титана методом импульсного фотонного отжига // Электронная промышленность. 1988. № 2. С. 34–37.
7. Иевлев В.М., Кущев С.Б., Санин В.Н. Твердофазный синтез силицидов при импульсной фотонной обработке гетеросистем Si–Me (Me: Pt, Pd, Ni, Mo, Ti) // ФХОМ. 2002. № 1. С. 27–31.
8. Емельяненко Ю.С., Колос В.В., Маркевич М.И., Стельмах В.Ф., Чапланов А.М. Влияние импульсной фотонной обработки на свойства системы TiN/Ti/Si // Электроника-ИНФО. 2008. № 9. С. 55–57.
74 “Оптический журнал”, 77, 8, 2010
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СВОЙСТВ НЕКОТОРЫХ МОДИФИКАЦИЙ СИЛИЦИДОВ ТИТАНА, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ БЫСТРОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ, ДЛЯ СОЗДАНИЯ ФОТОПРИЕМНИКОВ
© 2010 г. Ю. С. Емельяненко*, канд. физ.-мат. наук; В. В. Колос**; М. И. Маркевич***, доктор физ.-мат. наук; В. Ф. Стельмах****, канд. физ.-мат. наук; А. М. Чапланов***, доктор физ.-мат. наук
**** Институт физики НАН Республики Беларусь, Минск, Белоруссия
**** НПО “Интеграл”, Минск, Белоруссия
**** Физико-технический институт НАН Республики Беларусь, Минск, Белоруссия
**** Белорусский государственный университет, Минск, Белоруссия
**** Е-mail: Emelyanenko@inel.bas-net.by
Проведено исследование оптических свойств системы Au/TiSi2(C49)/Sin-типа/Si, сформированной методом быстрой термической обработки. Показано, что максимум спектральной чувствительности находится в области 750 нм. Максимальная чувствительность достигает 35 мА/Вт в диапазоне длин волн 750–800 нм. Сделан вывод о том, что на основе данной структуры, полностью совместимой с известной технологией, применяемой для изготовления полупроводниковых приборов на кремнии (кремниевая технология), возможно создание фотоприемника, чувствительного в диапазоне 350–1050 нм.
Ключевые слова: дисилицид титана, быстрая термическая обработка, оптические свойства, фотоприемник, кремниевая технология.
Коды OCIS: 040.5160
Поступила в редакцию 10.11.2009
Введение
В настоящее время существует необходимость в новых фотоприемниках для видимой и ультрафиолетовой (УФ) областей спектра, особенно совместимых с кремниевой технологией. Это, прежде всего, связано с применением их в решении задач экологии (контроль “озоновой дыры” над Землей), биотехнологии, медицине и проч., а также совмещением этих фотоприемников с большими интегральными схемами на кремниевой подложке и расширением функциональных возможностей самой микросхемы. Малогабаритные полупроводниковые фотоприемники имеют высокую эффективность и надежность, не чувствительны к магнитным полям.
Основной проблемой при создании нового типа фотоприемников является получение новых материалов и гетероструктур, на основе которых можно было бы сформировать фотоприемник с высокой фоточувствительностью [1–7].
В данной работе были проведены исследования, связанные с формированием гетерострук-
туры с применением дисилицида титана в модификации С49 для фотоприемников на основе кремниевой технологии. Ранее авторами [8] было установлено, что сформированная структура TiSi2 в модификации С49 обладает фоточувствительностью.
Целью настоящей работы являлось исследование оптических свойств системы Au/TiSi2(C49)/ Sin-типа/Si, сформированной методом быстрой термической обработки (БТО).
Методика эксперимента
При формировании системы проводилась химическая очистка подложки кремния в буферном травителе на основе HF, затем пластины кремния подвергались ионной очистке в атмосфере аргона на глубину 5 нм.
Далее на подложку кремния, имеющего ориентацию (001), методом магнетронного нанесения на установке Varian m2i последовательно осаждались пленки титана и нитрида титана на эпитаксиальный слой кремния n-типа, сфор-
72 “Оптический журнал”, 77, 8, 2010
мированный на подложке из кремния марки КДБ-12. Затем проводилась быстрая термическая обработка с использованием галогенных ламп на установке Heat Pulse 8108. Время обработки составляло 30 с при температуре 600 °С. В результате этой термообработки была синтезирована пленка дисилицида титана в модификации С49.
Исследования фазового состава пленок дисилицида титана, полученных при БТО, проводились на электронографе ЭМР-102 в отраженном свете. Для расшифровки электронограмм использовали базу данных “Of the International Centre for Diffraction Data” .
После удаления защитного слоя TiN наносился полупрозрачный слой золота толщиной около 100–150 A° методом термического осаждения. Формирование фоточувствительных площадок осуществлялось методом фотолитографии (диаметр площадок 5 мм).
Для определения спектральной чувствительности использовались интерференционные фильтры (с максимумами пропускания – 363,5, 599, 761,7, 780,5, 939,2, 1049,8 нм). Источником излучения служила типовая лампа накаливания СИРШ 8,5-200-1. Спектральная характеристика поглощения исследуемой структуры определялась методом сравнения фототоков калиброванного кремниевого фотоприемника (ФД-24к) и поверхности исследуемой структуры при одинаковых освещенностях.
фотокатализатором. В воздухе при нормальных условиях всегда содержатся пары воды, и под действием света на поверхности дисилицида титана образуются каталитически-активные комплексы и вследствие этого идет разложение воды на кислород и водород. Далее дисилицид титана в модификации С49 поглощает образующийся водород, что приводит к появлению дополнительных центров рекомбинации. Эти процессы и обуславливают падение фототока во время выдержки пленки дисилицида титана на воздухе.
В качестве полупрозрачного металлического покрытия, наносимого на поверхность дисилицида титана модификации С49, была выбрана золотая пленка толщиной 100–150 A° .
Из рис. 2 видно, что сформированная структура обладает фоточувствительностью в диапазоне 350–1050 нм. Максимум спектральной чувствительности находится в области 750 нм. Максимальная чувствительность достигает 35 мА/Вт при λ = 750–800 нм.
Результаты и обсуждение На рис. 1 представлена электронограмма пленки дисилицида титана в модификации С49, сформированной в результате БТО при температуре 600 °С. В таблице приведены значения фототока системы в зависимости от времени выдержки на воздухе при нормальных условиях. Из ее данных видно, что после выдержки исследуемой структуры в течение 1,5 часов и более фототок стабилизируется. Можно предположить, что некоторое изменение фототока во времени происходит вследствие того, что дисилицид титана является
Зависимость фототока от времени выдержки на воздухе Время выдержки, ч 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0
Фототок, мкА 14,2 13,8 13,6 13,4 13,4
“Оптический журнал”, 77, 8, 2010
Рис. 1. Электронограмма TiSi2(C49).
S, А/Вт
0,03
0,02
0,01 400 500 800 1000
Длина волны, нм Рис. 2. Спектральная характеристика фоточувствительных структур на основе TiSi2 в модификации С49.
73
Таким образом, методом БТО с использованием галогенных ламп была синтезирована поликристаллическая фоточувствительная пленка дисилицида титана в модификации С49, сформирована гетероструктура Au/TiSi2(C49)/ Sin-типа/Si и исследованы ее оптические свойства (изменение фототока во времени и спектральная чувствительность). Данная структура обладает чувствительностью в широком спектральном диапазоне и захватывает УФ область.
На основе данной структуры возможно создание фотоприемника в интервале длин волн 350–1050 нм на основе кремниевой технологии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пилипенко В.А. Быстрые термообработки в технологии СБИС. Минск: изд-во Центр БГУ, 2004. 531 с.
2. Борисенко В.Е. Твердофазные процессы в полупроводниках при импульсном нагреве. Минск: Наука и техника, 1992. 247 с.
3. Мьюрарка С.П. Силициды для БИС. М.: Мир, 1986. 175 с.
4. Пилипенко В.А., Горушко В.А., Пономарь В.Н., Пилипенко И.В. Электрофизические и механические свойства дисилицида титана, полученного с применением быстрой термообработки // Вестник БГУ. 2001. Сер. 1. № 2. С. 43–45.
5. Niess J., Paul S., Buschbaum S. Mainstream rapid thermal processing for source-drain engineering from first applications to latest results // Mat. Sci. and Eng. B. V. 114–115. P. 141–150.
6. Бурова С.В., Злобин В.П., Иевлев В.М. Формирование силицидов титана методом импульсного фотонного отжига // Электронная промышленность. 1988. № 2. С. 34–37.
7. Иевлев В.М., Кущев С.Б., Санин В.Н. Твердофазный синтез силицидов при импульсной фотонной обработке гетеросистем Si–Me (Me: Pt, Pd, Ni, Mo, Ti) // ФХОМ. 2002. № 1. С. 27–31.
8. Емельяненко Ю.С., Колос В.В., Маркевич М.И., Стельмах В.Ф., Чапланов А.М. Влияние импульсной фотонной обработки на свойства системы TiN/Ti/Si // Электроника-ИНФО. 2008. № 9. С. 55–57.
74 “Оптический журнал”, 77, 8, 2010