4
Formation of 2-D arrays of semiconductor nanocrystals or semiconductor-rich nanolayers by very low-energy Si or Ge ion implantation in silicon oxide ®lms P. Normand a, * , K. Beltsios a , E. Kapetanakis a , D. Tsoukalas a , T. Travlos a , J. Stoemenos b , J. Van Den Berg c , S. Zhang c , C. Vieu d , H. Launois d , J. Gautier e , F. Jourdan e , L. Palun e a National Center for Scienti®c Research, 15310 Aghia Paraskevi, Greece b Department of Physics, University of Thessaloniki, 54006 Thessaloniki, Greece c Department of Physics, University of Salford, Salford M5 4WT, UK d L2M/CNRS, 196 avenue Henri Rav era, 92225 Bagneux Cedex, France e LETI/CEA, 17 rue des Martyrs, 38054 Grenoble Cedex 9, France Abstract The structure evolution of annealed low-energy Si- or Ge-implanted thin and thick SiO 2 layers is studied. The majority of Si or Ge) species is restricted within a 3±4 nm thick layer. Si is able to separate and crystallize more easily than Ge. The glass transition temperature of the as-implanted structure has a signi®cant eect on the progress of phase transformations accompanying annealing. Ó 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved. Keywords: Si; Ge; Implantation; SiO 2 ; Nanocrystals; Glass transition 1. Introduction Semiconductor SC) nanocrystals or SC-rich layers embedded in SiO 2 matrices are appropriate for many applications in electronics and opto- electronics. The ion implantation technique for the fabrication of such structures is attractive because of its well-established manufacturing advantages. In this work, thin and thick 8±40 nm) SiO 2 layers are implanted at various doses 5 10 15 ± 5 10 16 ions cm 2 ) by low-energy Si 1 keV) or Ge 3 keV) and subjected to various annealing conditions. Low-energy implantation leads upon proper annealing to the formation of narrow bands of SC-rich material thickness in the 3±4 nm range) that may or may not be further phase sep- arated [1]. The location of these bands at a tun- neling distance from the SiO 2 surface and/or the SiO 2 ±Si substrate interface allows e.g. for the fabrication of single-transistor memory-cell struc- tures or tunnelling diodes. Controlled fabrication Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 178 2001) 74±77 www.elsevier.nl/locate/nimb * Corresponding author. Tel.: +301-650-3115; fax: +301- 651-1723. E-mail address: [email protected] P. Nor- mand). 0168-583X/01/$ - see front matter Ó 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved. PII: S 0 1 6 8 - 5 8 3 X 0 1 ) 0 0 4 9 5 - 5

Formation of 2-D arrays of semiconductor nanocrystals or semiconductor-rich nanolayers by very low-energy Si or Ge ion implantation in silicon oxide films

Embed Size (px)

Citation preview

��������� � �� ���� � � ������������� ������ ����� �������������������� ������ ��� � ��� ��������� �� �� �� ���

������������ �� ������� ����� ����

�� ������ �!"! #� $������� �! %� #�������&�� �! �� '���&���� �! '� '������ �!(� ��������� �! (� )�� ��� $��� �! �� *���� �! +� )��� �! ,� -������ �! (� ������� �!

�� (������ �! -� ����� �

� �������� ��� �� � ����� ��� �� ����� ����� �������� � � ������� �� �� �� �� !������ �� "����������� �#��$ "����������� �

� ������� �� �� �� �� !������ �� �����%� �����% &� #'"� !(� )*&+����� �,$ ���- .�� ������� ,***� /���-0 �%0� 1�� � )2"3+�2�� �4 - %� &�� �� �5��# ���6� �%0 ,� 1��

��������

'�� ��������� ��������� � �������� ��������� ��� �� ������������ ���� ��� ����& ��. �� ��� �� �������� '��

��/���� � �� 0�� ��1 ������� �� ���������� ������ � 234 �� ����& �� ��� �� �� ���� �� �������� ��� �� ������5� ���� �����

���� ��� '�� ����� ���������� ����������� � ��� ������������ ��������� ��� � ���������� �6��� �� ��� �������� � �����

�������������� �������� ��� ���������� � 778 %������� ������� $�)� 9�� ������ ���������

( 7�%�8 ��: ��: ;�����������: ��.: ����� �����: ����� ����������

� ���� ������

������������� 0�+1 ������ ����� �� �+������� ��� �������� �� ��. �������� ��� ������������� ��� ������������ �� ����������� ��� ����������������� '�� ��� ������������ ������<�� �� ������������� � ���� ���������� �� ���������� �������� ��� ���������������� ������������ �����������

;� ���� ���&! ���� ��� ����& 0=347 ��1 ��.�� ��� ��� ��������� �� ������� ����� 0>� 878> �>� 878? ���� ���1 � ��������� ��� 08 &�)1 ����� 02 &�)1 ��� ���/����� �� ������� �������������������� -�������� ������������ ����� ���������� ��������� �� ��� �������� � ����������� � �+����� �������� 0����&���� �� ��� 234 �������1 ���� �� �� �� ��� �� ������ ����� ���������� @8A� '�� �������� � ����� ����� �� � ���������� �������� ��� ��� ��. ������ ���B�� �����.3�� ��������� �������� ������ ���� �� ������������� � ����������������� ����� ����� ����������� �� ���������� ������� +��������� ����������

������ ;���������� ��� C������ �� �� ���� D������� $ 8E= 07781 E43EE

���������������B������B����

"+������������ ������� '���F G278�?>7�288>: ��F G278�

?>8�8E2�

29���� �%%��8 ���������H���������&�������� 0�� ���

����1�

78?=�>=2IB78BJ � ��� ���� ������ � 778 %������� ������� $�)� 9�� ������ ����������;;F � 7 8 ? = � > = 2 I 0 7 8 1 7 7 4 K > � >

� ��� ��� ���������� ��<����� �� ����� �� ���������� ������������� � ��� ���������� ������� ����������� � ��� ������� ���������� ������

� ���������� ����� ��������

L� ������� ��� �������� �� �� ��������� ���<����� � ��������� ��������� ������F8� ����������� ���� ������������ � � ����� ������ �� ������ ����� �� ������������ �� �� ����������� �� ��� 877 �� 878 �� ����� 00: ����� ������������� 1� ����� ����������� ���� ��� ��������&���� 0;���������� ������������ 1�

� ���������� � ��� ����� ���������� �����������0��1 ������ �� ����� ���������� ������� �� ��+����� ��� � ��.����� ������ +����������� ������ ����� ���������� ��� ������������ �� �������� ���� �������� � ��.������������ ���� � �� ������ ���� ��� ��������������������� �� ���� ������ �� ����������� ������ �� �� ��� ��5� � �������F �� ���� �� ������������� ������� �� ���&�� ������� � ��5�� 87 �� ��� ������� �� � ����&���� ����������� �� ���������� �� ��� ���� � �� ���� ������ �������� ������� �� ��� ���������� ����������! ��� @A� -��� '%C ����������� 0��������������1 �� ����� �� � ������������� � ������������� �� ����� ���������� 0��� �����1�

2� '�� �+����� ������� �� ������5�� +������������� ����� @8A�

.���� ��������� ������F 0�1 M��� ��<�������� �������� 0������� � ���������� � �+3��. ��1 ����+ ������� �� ������������ ��� ��� �������� ������� ����� ��� ; ���������! ���� ������� ������ �����.3��� �������� �� ��� ��.3�� ��������� 0�1 ;����� ��� ��������� ��������� �� ���������� 0: ����� �������������! ���� ��������� 0�� � ������������! ����! ���� ��� �� �� ��� �� >>73?77�+1�� ����� �� ��� �������� � �+ �� ���������!�������� ���� �+ ��� ����� ��� ���������� � ��������� ������� �� �� ������5����� 0�� � � ����1������ ��� ����� �������� � ��� �+����� ���&������ ������� ����� ��������� ��������� ���������������������� ��� @2A ��� ��������� ��������D�������� ��� �� �6���! �� ���� ���� � �������

��������� �� ��������� �� ��� ���������� � ��� ���3������� 0�3�1 � ����� ����������5�� � � �������

������� � � �� ���� @4A� �����������! ��6������������������� ���� �� �� ��� �3� ���� ����������������� ��� �������� ���� ������� � � ���������N��� ����� �� ��� ���� � ��� �+3��. � ���� ���������� ���� ��� ��������� ��������� ������� ����������� � � ��������� ������ '�� ����� ���������� �6-�� ��. �� �� ��&�� �� �<��� �� 88K7�+ ��������� � �� ��� �� �� ������ �� ��� >77� >7�+�����! ��������� �� ���� ������������ ���� ����������������� @>A� 9������� � ��������� ��������������� � �� ���� �����������! ��������������.3�+ 5���� ���� � ?73=7O ��. ������� ����������� ��/�� ������� �� ��� ���� ���� �� ���K77387>7�+ ������ 9����������� �� �� ������� �������� �� ���� ����������� ��� ���� �� �������� ���� ������������ � �������� ���� ������ ����� ������� ���� �� ��������� ���� ��. ��������

� ������� ����������

�<�< ��9�������% ��- �-�

����������� '%C ����������� � = �� ����&��. ��������� ���� 8� 878> �>� 878? ��� ���

��� �������� �� K77�+ �� 8777�+ ��� ����������� ���� � '�� ������ � �� ������5�� �� 0������������� �� ��� ��� � ����� �������1 ������� ��

���� 8� '�� ����������� � � ������� 0������� ��� ������ �����

����! ������ �� ���������� ������! ���� 9 � �+! $ � ��.1 ��� ��� ����� � ����� ����� ���������� ��� ������ +8 ��� +F ������� ��� �+ ��������� ��� ���� 0�1 ������ ��� ����������� 0�818������ ����� ���������F ���� ���� ,����! ����� ����������

�� �� �������� ���� �� ��� ���� � � ��� �+ ��������

�< �����% � ��< + �- �< 3���< ��% &��< �� �� �< ��< / �45 =*���> 4#:44 E>

�������� ���� ��� ���� ��� ������������ +���������� � ��� �! ��� �! � 0�� �B�1 ���������� ���������� ������ ���� ���� ������� � ��� �������������������� ��� ������ � �� �� ������5����� �� ��������� ���� ���� �� ��� ����� ����! ���� �� �������� ����� '��� ��� �� ���������� �� ��� ����� ���� ������������ ����� �� ���� 8������������! �������� ��� ����������� ������

�� ����� 0�1 ��� 0�1 ���� �� �������� ���������!�������� ��6������� �������� 0��� ����� � ���� 0�11���� �� ��� �������� � �� �������: ������� �����

�������B����� ���� ���& 0��� ����� ����1 ���������� �������� � �� �� ���&��� � � ������� ��5�� 234 �� �� ���� 0�1 ��� ���� �� ���&��� � 43>�� �� ���� 0�1� C�������! �� ���� �� ����� �������������� 0�1 ��������� �� ������ ���� ����������� ���� �� ��� 8738? �� ����� 0�������� �� �2�> �� ����&���� � ��� ������� �� �� �������� ����������������� '%C ���� ���1 ����� �������� ������� ������������� ������ ����� ��� �����������&��-�������� �� �������� �� � ���� �

>� 878? ��� ���� ���� ���� �������� �� ����&

���� � '%C ����������� ��� ������� ���� = �� ����& ��. �� �� ��������� ���� 0�! �1 >� 878>! 0�! 1 8� 878?! 0�! �1 � 878?! 0�! �1>� 878? ��� ��� �� 8 &�) ���� ������� ��������� �� K77�+ �� ?7 ��� 0�3�1 ��� �� 8777�+ �� 27 ��� 0�3�1� %������� ��6��������������� � 0�1 ��� 0�1 ��� ����� �� ������ 0����� ��������� 08 8 81 �� ����1� 9 �� ������ ���� �� ����� �� ��� ����� � 0�1� 9����� �� 0�1!

01 ��� 0�1 ������ �� ������ � 43>! =3K ��� 8384 �� �� ��������! ����������� �

���� 2� +�������������� '%C ���������� � 2> �� ����& �����

��������� ���� >� 878? ��� ��� 08 &�)1! �������� �� 8777�+�� 27 ��� ��� �����<����� ������ ���� ��� �������� '��

�������� � � 4 �� ������ ���� �� �� �� ����� �� ��� ������

���� 4� +�������������� ,D'%C ���������� � = �� ����&

����� ��������� ���� >� 878? ��� ��� �� 8 &�)! ������ ������� ������� ��� �����<����� �������� �� 8777�+ �� 27 ���������� � 4 �� ����& ������ ���� �� ���

E? �< �����% � ��< + �- �< 3���< ��% &��< �� �� �< ��< / �45 =*���> 4#:44

����� �� ���� 9��� ��������� �� 8777�+! � ������ �� � �� ������ ����� �� ������ �������� �� ������ � ��� ����� 0���� 21� '�� ��������������� 0��5�!������ ��� ��������1 � ��� ������ ����� ��� �������� �� ����� �������� �� ��� ���� ������! �������������� ���� ��� ������ � ��� ������ ����� ������� ������ �� ��� �������� � ��� ��.B�� ������������������ '�� ������� � ��� ����� ���������� ���������� ���� �������� ��� ������ �� ��� ����� ������������5�� � � �� � ����: ��� ������ ������������������ ���������� �������������� �� ��� ������������ � ��� ������9 ���������� ��� ������� ������� �� �� ��� ���

������� �� >� 878? ��� ��� ��������� = �� ��.������� ��� ��� ��������� ��� �������� �� 8777�+�'%C ������������ 0���� 41 ������� ���� ��� �������� �� �� ���� ��� �6��� ����������� ��� ���������� � ��� ��������� �������� �����������

�<*< �9�������% ��- �-�

������� ��������� ������� ���� ������� �� ����0K38 ��1 ��� ����& 02> ��1 ��. �� ��� ���������� ���� �� �� ����� � >� 878> ���8� 878? ���� � �� ������5����� ��� �������������� � '%C �� ��������� �������� � ������������������ �� ���������� ������������� �����!���� ���� '%C ����������� �� 77 &�) �����

���������� �� �������� �� ��� ������� 0������ ����1 ���� 0���� >1� L� ������� ���� ��� ������������ ������ ��� ����� ��������� ��� ����� ����������� ������� �������� �� ��� ���� ����� ����������! ���� ��� ���� ���� �� �� ����� 9 ���������� ����� ������������ �� ��� ��6������ ����� �� ������5����� ������ � �� ��� �� �� ����������� ������������ ������ �� ��� ��������F 9���� �� � �� ��� �� ��� ����������! ��� �������� ����������� ���� �� �� ������� �� �����3��. ��� ��3��. � ������ .� ��� ���������! ��� ������� ����������� � �� �� ������������ ����� ���� ���� � �� 0K2=�+ ������8487�+1 ����� ������ � ���� ���� ������������ � ���������� ���� ��� ����� ���� ������� ���������� ��� ���� �� �� ������5������9����������� ! ��� ���������� � ������� ���������� �� �� � ������ � ��� ���� ���������� �� ������� �������� �� . �� ��� ��������� ������������ ��� ���� ��������� @4A: ���� �� ������������� ��&� ���������� �������

� �����������

-�������� �� ��� �� ������������ � ���� �������& ����� �� ��� ����� �� ��� �������� � �����+����� ������ '�� ��������� � ��������� ������������� �� �������� � ��� ����� ���������� ������������ � ��� ������������ ����������

����������

@8A �� ������! �� '���&����! %� #�������&��! (�9� )�� ���

$���! ���� 9�����! (� ���������! +� )���! %�����������

����������� -���� 8 08KK=1 ==�

@A #� $�������! C�+� $�����! (� C�������� ���� �� �� $ 2K

07771 ?2�

@2A (� 9������! ,� $��������! ���� +���� = 08K=E1 ??�

@4A (� ��� $���� ! D� ����5�����! #�,� ,�����! 9� C��&���5! $�

�������! L� �&�����! ,�(� '����! ����������� %�������� 42

08KKK1 88>K�

@>A )��� C����! ��;� �����! ��;� $����! D������ C������ 8 08K=?1

E=�

���� >� +�������������� '%C ���������� � 8 �� ����& �����

��������� ���� 8� 878? ��� ��� �� 2 &�) ��� �������� ��K>7�+ �� 27 ���� -��� ������ '%C ����������� ���������

����� ���������� 0�������� � ������� �������1! ����� �����

������� �� �� ������ ����� ���� ����� ������ '%C �����������

0��� �����1�

�< �����% � ��< + �- �< 3���< ��% &��< �� �� �< ��< / �45 =*���> 4#:44 EE