The study of the composition of silicon-supersaturated layers of silicon nitride with the help of secondary ion mass spectrometry

Abstract

The elemental composition of supersaturated solutions of silicon in silicon nitride has been investigated. The supersaturated solutions were obtained using two following methods: the method of magnetron sputtering of a silicon cathode in the presence of the reactive gas of nitrogen and the method of silicon ions implantation into the obtained 60 nm thick stoichiometric samples of SiN 1.33 at irradiation doses of the order of (2-5) 1016 см-2. In the future, these technologies will provide a formation of 'Si nanocrystals in a dielectric 'structures intended for creation of highly efficient electro-luminescent light source for optoelectronics by using the method of equilibrium and fast thermal treatments. Preliminary research of the composition homogeneity of the produced silicon nitride films have been carried out by means of the layer-by-layer sputtering of these films with a beam of gallium ions. The distribution of elements through the thickness of the Silicon-supersaturated layer of silicon nitride and the distribution of implanted silicon ions through the thickness of silicon nitride layer of stoichiometric composition have been obtained with the help of secondary ion mass spectrometry. Measurement accuracy is higher than the accuracy of the method of Rutherford backscattering. The investigations of the composition of the obtained nanomaterials allow an optimization of modes of mature plasma beam technologies for creation of silicon-based light-emitting materials with the required parameters.

Исследован элементный состав пересыщенных растворов кремния в нитриде кремния. Пересыщенные растворы создавались двумя способами: магнетронным распылением кремниевого катода в присутствии реактивного газа азота и имплантацией ионов кремния в полученные образцы стехиометрического состава SiN1.33 толщиной 60 нм при дозах облучения порядка (2-5)·1016см-2. Эти технологии позволят в дальнейшем формировать методом равновесных и быстрых термических обработок структуры «нанокристаллы Si в диэлектрике», предназначенные для создания высокоэффективного электролюминесцентного источника света в оптоэлектронике. Проведены предварительные исследования однородности состава полученных пленок нитрида кремния при их послойном распылении пучком ионов галлия. С помощью вторично-ионной масс-спектрометрии получено распределение элементов по толщине пересыщенного кремнием слоя нитрида кремния и распределение имплантированных ионов кремния по толщине слоя нитрида кремния стехиометрического состава. Точность измерений превышает точность метода обратного резерфордовского рассеяния. Исследования состава полученных наноматериалов позволяют оптимизировать режимы отработанных пучково-плазменных технологий для создания светоизлучающих материалов на кремнии с требуемыми параметрами.