Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 2 Термоакцепторы в облученном кремнии й В.Ф. Стась, И.В. Антонова, Е.П. Неустроев, В.П. Попов, Л.С. Смирнов Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия (Получена 3 июня 1999 г. Принята к печати 23 июня 1999 г.) Приводятся результаты сравнительного анализа условий формирования мелких акцепторных центров в кремнии, облученном электронами, нейтронами и высокоэнергетичными ионами в процессе высокотемпературного отжига. Показано, что введение достаточно большой, по сравнению с исходной концентрацией примесей и дефектов, концентрации радиационных нарушений решетки Si позволяет наблюдать возникновение термоакцепторов, стабильных вплоть до температуры отжига 650C. Предполагается, что возникновение акцепторов обусловлено процессом взаимодействия фоновых акцепторных примесей (предположительно, бора) с вакансиями, ФзапасеннымиФ в многовакансионных кластерах.

Введение облученного кристалла. При облучении проводимость кремния стремится к собственной, но иногда, при исПроблема трансформации дефектно-примесной подси- пользовании высокоомных кристаллов n-Si, отмечалось стемы кремния в области рабочих температур микро- появление проводимости p-типа [3].

электронных приборов и температур технологических В настоящей работе проведено исследование условий обработок ислючительно сложна. Основная причина это- формирования акцепторных центров при отжиге сущего Ч участие в перестройках неравновесных и некон- ственно различающихся (как по типу и концентрации тролируемых (или фоновых) примесей и генетических легирующей примеси, так и по содержанию кислорода) дефектов. Известно, что в зависимости от режимов и спо- кристаллов исходного кремния, облученного электрособов выращивания монокристаллов кремния они могут нами, реакторными нейтронами и высокоэнергетичнысодержать в качестве преобладающих как вакансионные, ми ионами. Использование различных видов облучетак и межузельные дефекты [1]. Известно также, что ния (различных как по количеству смещений, так и основными примесями, всегда присутствующими в кри- по их плотности и пространственному распределению) сталлах кремния, являются кислород и углерод. Также позволило выявить взаимосвязь между мерой воздейне удается очистить монокристаллический кремний и от ствия облучения на кристалл и концентрацией исходных примеси бора [2]. Облучение кремния различными вида- примесей и дефектов, необходимую для формирования ми частиц является во многих случаях хорошим индика- термоакцепторов.

тором наличия неконтролируемых компонентов. Спектр дефектов, вводимый облучением различными частицами, включает образования от простейших точечных дефек- Методика эксперимента тов, вакансий (V) и собственных межузельных атомов (I) (облучение электронами с энергией E < 10 МэВ [3]) до В работе использовался кремний, выращенный метоскоплений дефектов-кластеров (облучение нейтронами и дами Чохральского (Cz-Si) или зонной плавки (FZ-Si).

ионами [3Ц6]). Поскольку прямая аннигиляции между Оба вида кремния имели n-тип проводимости. Исходные дефектами V и I не является доминирующим процес- значения концентрации носителей заряда и их подвижсом [7], происходит накопление точечных дефектов в ности, а также содержание кислорода в образцах укавиде более или менее сложных комплексов. Известно, заны в таблице или в подписях к рисункам. Облучение что дефекты V и I взаимодействуют практически с любой проводилось электронами с энергией 3.5 МэВ и дозами промесью и другими несовершенствами кристалличе- D = 1015-3 1016 см-2, нейтронами (D = 2.5 1017 см-ской решетки [8]. Когда концентрации дефектов, введен- и 1014 см-2 при комбинированном облучении) и ионаных облучением, с одной стороны, и фоновых дефектов ми N+ с энергией 16 МэВ (D = 2 1014-2 1015 см-2, и примесей кристалла, с другой стороны, сравнимы, исходный материал Ч КДБ-30). Толщина образцов то в наибольшей степени проявляются индивидуальные не превышала 1 мм. Проективный пробег ионов N+ свойства материала. Эти индивидуальные свойства будут (16 МэВ) составлял Rp = 11.6 мкм. Для исследований определять трансформацию примесно-дефектной систе- использовались измерения вольт-фарадных характеримы и при последующем отжиге облученного материала. стик, концентрации и подвижности носителей заряда В случае использования, с одной стороны, наиболее (методом Ван-дер-Пау) и емкостная спектроскопия глучистых (т. е. с минимальной концентрацией примеси и боких уровней (DLTS). Термообработки проводились при других несовершенств) кристаллов и, с другой стороны, температурах до 900C. Для получения пространственчастиц, вносящих в кристалл достаточно большое коли- ного распределения дефектов по глубине применялось чество нарушений, можно создать условия для наиболее послойное травление кристаллов кремния в травителе эффективного проявления свойств подсистемы дефектов HF : HNO3 (1 : 100).

Термоакцепторы в облученном кремнии Концентрация и подвижность носителей в Si (при комнатИз рисунка видно, что концентрация акцепторов, форной температуре), облученном электронами и нейтронами и мирующихся при отжиге более чистого и высокоомного отожженном при различных температурах Tann материала, выше и они наблюдаются в более широком интервале температур.

Tann, Тип прово- p, n, Подвижность, Тип облучения При облучении реакторными нейтронами (рис. 2) неC димости см-3 см2/(В с) посредственно после облучения четко фиксируется p-тип Нейтроны, исх. n 2.61013 проводимости образцов. Характер отжига и концентраD = 2.51017 см-2, 100 p 2.61011 ции носителей практически не зависят от содержания N0 = 5.51016 cм-3 300 p 1.01012 кислорода в образцах. Концентрация дырок до темпера460 p 1.21013 тур Tann 250C существенно не изменяется. Начиная с 600 p 2.11014 Tann 300C концентрация дырок возрастает, имея тен650 p 3.81014 денцию к насыщению при Tann 450-500C, но затем Нейтроны, исх. n 2.41013 D = 2.51017 см-2, 100 p 3.81011 N0 = 4.01017 см-3 300 p 5.41011 460 p 8.01012 600 p 4.21014 650 p 3.01014 Электроны, исх. n 3.51013 D = 31016 см-2 375 p 1.61013 425 p 2.71013 475 p 2.21013 Электроны, исх. n 8.81012 D = 31016 см-2 375 p 4.41013 425 p 6.61013 475 p 9.51013 Нейтроны исх. n 2.31013 (D = 1014 см-2) 400 p 4.51013 + электроны 500 p 9.21011 (D = 1015 см-2) Нейтроны исх. n 1.81013 Рис. 1. Зависимости от температуры отжига Tann концен(D = 1014 см-2) 400 p 4.21013 трации носителей заряда для кристаллов FZ-Si, облученных + электроны 500 p 3.61013 электронами с энергией 3.5 МэВ дозой D = 3 1016 см-2.

(D = 31015 см-2) Исходная концентрация электронов в кристаллах: nst, 1013 см-3:

Нейтроны исх. n 1.81013 1 Ч3.5, 2 Ч 1. Вверх от пунктирной горизонтальной прямой (D = 1014 см-2) 400 p 6.21013 отсчитывается концентрация дырок p, вниз Ч концентрация + электроны 500 p 4.01013 электронов n.

(D = 1016 см-2) КДБ-40 исх. p 4.21014 Примечание. N0 Ч концентрация кислорода; исх. Ч исходный кристалл; p, n Ч концентрации дырок и электронов соответственно;

КДБ-40 Ч марка Si.

Экспериментальные результаты Облучение кремния типа FZ-Si электронами дозой 3 1016 cм-2 приводит к увеличению сопротивления до величины более 3 105 Ом см. Отжиг ФнизкоомногоФ кремния (st 200 Ом см) показывает, что до Tann = 200C сохраняется n-тип проводимости, затем следует переход в p-тип, возрастание концентрации дырок и резкий спад ее при T 500C (рис. 1, кривая 1).

Рис. 2. Зависимости от температуры отжига Tann концентрации ФВысокоомныйФ материал n-типа (st 800 Ом см), дырок p для кристаллов Cz-Si (1) и FZ-Si (2), облученных начиная с низких температур отжига, переходит в p-тип быстрыми реакторными нейтронами дозой D = 2.5 1017 см-2.

и увеличение концентрации дырок следует в 2 стадии При температуре выше Tann = 650C оба кристалла переходят (см. интервал Tann 300-400C на рис. 1, кривая 2). в n-тип проводимости.

3 Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 164 В.Ф. Стась, И.В. Антонова, Е.П. Неустроев, В.П. Попов, Л.С. Смирнов опять наблюдается резкий подъем концентрации дырок.

После достижения максимума при Tann 600C концентрация дырок резко уменьшается (при Tann > 650C) и происходит конверсия типа проводимости.

Облучение образцов FZ-Si (st 200 Омсм) электронами дозой меньше D = 1016 см-2 или нейтронами дозой меньше D = 1014 см-2 не приводит к конверсии типа проводимости как при облучении, так и в процессе изохронного отжига. Однако при комбинированном облучении (нейтронами, D = 1014 см-2, затем электронами, Рис. 4. Распределение по глубине d концентрации дырок в кристалле Cz-Si, имплантированном ионами N+ с энергией D = 1015-3 1016 см-2) в процессе изохронного отжига 16 МэВ и дозой D = 51014 см-2, отожженном при температуре при температурах Tann > 250C наблюдается проявление Tann = 500C в течение 2 ч. Rp Ч проективный пробег p-типа проводимости (рис. 3). Концентрация дырок ионов N+.

возрастает с увеличением потока электронов. Однако температурный интервал стабильности акцепторов, как и в случае облучения только электронами, ограничен температурой отжига Tann = 500C.

Аналогичное формирование дополнительных акцепторных центров имеет место и при высокоэнергетичной ионной имплантации после соответствующих отжигов.

На рис. 4 и 5 представлены распределения по глубине d концентрации дырок в кристаллах, облученных ионами азота (16 МэВ) и отожженных при температурах и 570C соответственно. Видно, что пространственное распределение концентрации дырок сильно зависит от температуры отжига Tann.

Во всех измеренных образцах, пока температура отжига не достигает Tann 600C, отмечаются низкие значения подвижности дырок (см. таблицу). Для сравнения в таблице приводится значение подвижности дырок в необлученных образцах Si марки КДБ-40. Отжиги Рис. 5. Распределение по глубине d концентрации дырок в при 600-650C позволяют восстановить подвижность кристалле Cz-Si, имплантированном ионами N+ с энергией 16 МэВ и дозой D = 21015 см-2, отожженном при температуре Tann = 570C в течение 3.7 ч. Rp Ч проективный пробег ионов N+.

носителей заряда при сохранении высокой концентрации высокотемпературных акцепторов.

Измерения по методу DLTS показали, что отжиг при температурах Tann = 400-600C не вводит в нижней половине запрещенной зоны глубоких уровней. Единственный уровень, наблюдаемый при Tann = 450-550C в верхней половине запрещенной зоны имплантированного Cz-Si, связан с введением термодоноров.

Обсуждение Проявление конверсии n-Si p-Si после облучения наблюдается как при электронном, так и нейтронном возРис. 3. Зависимости от температуры отжига Tann концентрации действии (рис. 1, 2). Наиболее ярко эффект проявляется носителей заряда для кристаллов FZ-Si, облученных быстрыми при последующих термообработках. Наблюдается четкая реакторными нейтронами дозой D = 1014 см-2 (1) и затем корреляция между появлением в кристалле подвижных электронами дозами D, 1015 см-2: 2 Ч1, 3 Ч3, 4 Ч 10. Конвакансий и образованием акцепторных центров. Так, на центрация кислорода в исходных образцах N0 5 1016 см-3.

рис. 1 видно, что после отжига при Tann = 200-220C Шкалы для отсчета концентрации дырок p и концентрации электронов n расположены так же, как на рис. 1. низкоомного материала отмечается p-тип проводимости Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. Термоакцепторы в облученном кремнии (при Tann = 200C образец сохранял n-тип). Отжиг При наличии подвижных вакансий (V) возможна реакция при температурах 250-300C приводит к увеличению типа: постановка BI в узловое положение BS концентрации дырок (рис. 1Ц3). При этом следует отмеBI + V BS. (2) тить, что, как известно, отжиг тривакансий происходит при 200 220C, а при Tann = 250-350C происхоПоскольку прямая аннигиляция дефектов V и I задит исчезновение дивакансий и A-центров (комплексов труднена [3,7], возможны либо аннигиляция на центрах, кислород + вакансия в кислородосодержащем материакогда поочередно проходят реакции типа (1) и (2), ле) [4,5,9]. Эти процессы приводят к появлению в объеме либо накопление (коагуляция) дефектов. Существование кристалла подвижных вакансий.

дефектов, включающих в себя относительно большое С чем же можно связать возникающие акцепторные количество вакансий (больше 5), явствует из данных центры Сразу же можно отказаться от целого класпо исследованию методом ЭПР кремния, облученного са дефектов, связанных с межузельными атомами. Эти нейтронами [13]. Имеются расчетные работы [12], дефекты, как правило, проявляют себя как донорные где приводятся некоторые предполагаемые свойства стаили нейтральные центры. Исходя из данных рис. бильных многовакансионных кластеров (V6, V10). Понужно отказаться от дефектов, в состав которых входит скольку дефекты V и I вводятся облучением в равных кислород. Из чисто вакансионных дефетов по темпераконцентрациях, при коагуляции вакансий возникает изтурной стабильности не ФподходятФ также такие дефекты быток межузельных атомов кремния I, и они с необхокак дивакансии, тривакансии, тетравакансии. На первый димостью образуют дефекты, из которых часть является взгляд, может показаться, что подходит, по крайней парамагнитными центрами [14], другая же часть промере по температурной стабильности, пентавакансия является в электронно-микроскопических исследованиях (ЭПР-центр P1), которая существует до температур (см. например, [15]). Таким образом, после облучения Tann 500C. Но пентавакансия обычно вводится при в результате протекания реакций типа (1) в объеме больших дозах нейтронов или ионов [10]. Также изкристалла образуется электрически неактивный бор, ковестно, что пентавакансия вносит в запрещенную зону торый, взаимодействуя с вакансионными дефектами в глубокий уровень с энергией EV + 0.44 эВ [11]. Однако процессе последующего отжига, может переходить в имеются различия в толковании природы наблюдаемоэлектрически активное состояние. Для этого необходимы го центра P1. Так, авторы работы [12] считают, что условия, когда возможна коагуляция еще при облучедефекты V10 более соответствуют свойствам указанного нии существенной доли генерируемых вакансий. Это центра P1. Проведенные нами DLTS-измерения показавозможно при больших дозах облучения электронами ли, что в условиях существования акцепторных центров ФчистогоФ кремния (т. е. содержащего небольшую кон(по крайней мере выше Tann = 400C) в нижней половицентрацию центров аннигиляции, чтобы аннигиляция не не запрещенной зоны отсутствуют центры с глубокими была доминирующим процессом) или при использовании уровнями. Можно предположить, что это дефекты, вклюоблучения с большой скоростью генерации простейших чающие легирующую примесь фосфора (рис. 1, 3), т. е.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам