1. Введение центрами в кремнии в указанном интервале температур могут стать термоакцепторы, образующиеся в Облучение кристаллического вещества ионами вы- областях, обогащенных вакансионными дефектами [6].
соких энергий (выше 1 МэВ/а.е.м.) трансформирует Цель данной работы состоит в исследовании релаксации примесно-дефектную структуру материала в относи- дефектной подсистемы кремния, облученного тяжелыми тельно большом объеме Ч на глубину до нескольких ионами высоких энергий, на примере изменения элекдесятков микрометров. В этом случае, по сравнению трофизических свойств кристалла, отожженного при с имплантацией ионов средних энергий, происходит не температуре 450C.
просто проникновение ионов на большую глубину, но и существенное ослабление роли такого канала для стока 2. Методика эксперимента введенных дефектов, как поверхность. Кроме того, образуются области с преимущественным преобладанием В качестве исходного материала были использоваточечных дефектов вакансионного типа (от поверхноны кристаллы кремния толщиной 350Ц380 мкм, вырасти до (1/2)Rp, Rp Ч проективный пробег ионов) щеные методом Чохральского, (Cz -Si) с содержаникрупных вакансионных кластеров (в окрестности Rp) ем кислорода 1 1018 см-3. Концентрация кислорода и дефектов межузельного типа (глубже (1/2)Rp и определялась по полосе инфракрасного поглощения за Rp) [1,2]. Следствием такого разделения являются эф1107 см-1 с использованием калибровочного коэффифекты геттерирования металлов и кислорода не только циента 3.14 1017 см-2. Cz -Si был легирован бором в в области Rp, но и на глубине (1/2)Rp [3,4]. При этом концентрации (0.8-1.0) 1015 см-3. Облучение проводи(1/2)Rp является довольно условным расстоянием, и лось ионами Kr и Bi на циклотроне У-400 ЛЯР ОИЯИ.
конкретная глубина, на которой обычно видят появление Параметры облучения, проективные пробеги ионов и максимума, например, в распределении геттерируемой концентрации легирующей примеси в исходном матепримеси, обычно несколько смещена от точного значериале приведены в табл. 1. Температура образца во ния (1/2)Rp. Релаксация нарушенной кристаллической решетки происходит даже при относительно невысоких температурах термобработки и сопровождается измеТаблица 1. Параметры облучения, проективные пробеги нениями электрофизических свойств материала. Эти ионов и концентрации легирующей примеси исходных кристаллов изменения можно проследить на примере изменения количества термодоноров (кислородсодержащих дефекУровень Тип Энергия тов), являющихся электрически активными центрами в Доза F, Rp, Ионы легирования, проводи- ионов, кремнии [5]. Формирование данных центров в кремнии см-2 мкм 1015 см-3 мости МэВ происходит в интервале температур T от 350 до 550C с максимумом при 450C. При малых концентрациях Bi+ 1 p 710 7 1012 43.кислорода и(или) значительных нарушениях кристал- Kr+ 1 p 305 1 1014 Kr+ 1 p 246 3 1014 лической решетки конкурирующими с термодонорами 566 С.А. Смагулова, И.В. Антонова, Е.П. Неустроев, В.А. Скуратов Рис. 1. Распределение концентрации N дырок (a, b) и электронов (c, d) по глубине при различных временах отжига в Cz -Si, облученном ионами Bi с энергией 710 МэВ дозой 7 1012 см-2. Температура отжига T = 450C; время отжига, ч: a Ч2, b Ч5, c Ч7, d Ч 10.
время облучения не превышала 50C. Термообработки ми Bi+, приводит к восстановлению p-типа проводиобразцов осуществлялись на воздухе при температуре мости в области до Rp ионов. В распределении конT = 450C. Концентрация и пространственное распре- центрации дырок по глубине можно выделить пик в деление носителей заряда определялись из измерений окрестности 10 мкм (см. рис. 1, a и b) и в окрестности вольт-фарадных характеристик и эффекта Холла. Для Rp при длительности отжига 5 ч. Увеличение времени получения пространственного распределения электриче- отжига до t 7 ч привело к инверсии типа проводимости ски активных центров применялось послойное травле- (на n-тип) во всем объеме кристалла Ч как в области ние кристаллов кремния в растворе HF : HNO3 (1 : 100). до Rp, так и за ней. При этом форма распределения В процессе многократного травления могла накапли- электронов в области до Rp (рис. 1, c, d) существенно ваться ошибка в определении толщины удаленного слоя, не изменилась по сравнению с распределением дырок которая на больших глубинах (близких к Rp) не превы- (рис. 1, a, b): наблюдаются те же максимумы в распрешала 4мкм. делении свободных носителей. Таким образом, за относительно небольшими изменениями в распределении концентрации дырок при (2-5)-часовом отжиге следует 3. Экспериментальные результаты резкое изменение типа проводимости при 7-часовом отжиге и сохранение этих же концентраций электронов 3.1. Эффекты в области до Rp и формы распределения при дальнейшем увеличении времени отжига.
До термообработки кристаллов кремния, облученных высокоэнергетическими ионами, по результатам изме- Несколько другая ситуация имела место при имрений вольт-фарадных характеристик образцов, весь плантации ионов Kr+ с энергиями 246 и 305 МэВ имплантированный слой был компенсированным. Отжиг (см. табл. 1). В этом случае уже при отжиге в режипри температуре T = 450C длительностью до t = 5ч ме T = 450C, t = 2 ч обнаружено появление донорных Cz -Si p-типа проводимости, имплантированного иона- центров, и в приповерхностной области проявлялся Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Релаксация дефектной подсистемы кремния, модифицированной облучением тяжелыми ионами... разцов Si, имплантированных ионами Bi+, при времени термообработки между t = 5 и 7 ч имеет место смена типа проводимости p n-тип. При этом концентрация доноров, которые необходимо ввести для достижения наблюдаемой концентрации, составляет 2 1015 см-3.
Дальнейшее увеличение длительности термообработки до 10 ч уже не меняет концентрацию электронов. В случае использования ионов Kr+ наиболее интенсивное образование донорных центров наблюдается при временах отжига до t = 2 ч, а затем происходит более плавное нарастание концентрации данных центров с увеличением времени отжига. Однако в этих образцах изменения типа проводимости при выбранных временах термообработок не происходит. Более того, имеет место увеличение концентрации дырок при приближении Рис. 2. Распределение концентрации электронов N в кристалк Rp со стороны подложки, т. е. наблюдается увеличение лах Cz -Si p-типа проводимости, имплантированных ионами концентрации мелких акцепторных центров. На рис. Kr+ с энергией 305 МэВ дозой 1 1014 см-2 после отжига при также представлено уменьшение концентрации дырок 450Cдлительностью2 и 10 ч.
в исходном необлученном кристалле за счет введения термодоноров.
слой n-типа проводимости (рис. 2). За слоем n-типа 4. Обсуждение проводимости и до Rp следовала компенсированная область. Концентрация и глубина залегания слоя n4.1. Эффекты в области до Rp типа проводимости возрастала с увеличением времени отжига и при обработке в течение t = 10 ч достигала Rp Известно, что облучение электронами и нейтронами ионов (рис. 2). Следует отметить, что на распределении высокоомных кристаллов кремния приводит к формиэлектронов после отжига в течение t = 10 ч виден пике рованию мелких акцепторных центров [6]. Структура на глубине 6Ц7мкм.
данных центров неизвестна, но согласно предположению, сделанному в работе [6], это несложные комплексы 3.2. Эффекты, наблюдаемые за Rp вакансий с фоновыми примесями. Участие вакансий в формировании термоакцепторов подтверждается и Изменение средней концентрации носителей заряда за результатами, полученными в данной работе. Из всех областью Rp (усреднение проводилось по всей толщине использованных ионов введение термоакцепторов наобразца без учета слоя Rp ионов) в зависимости от блюдается только в случае имплантации ионов Bi+, взаивремени отжига для образцов, облученных различными модействие которых с облучаемыми кристаллами харакионами, показано на рис. 3. Как уже отмечалось, для обтеризуется наибольшими удельными потерями энергии на ионизацию и упругое рассеяние. Для сравнения в табл. 2 представлены результаты расчетов по программе TRIM-95 максимальных ионизационных потерь (dE/dx)ion в области ионного трека для каждого из использованных ионов и количество вакансий (NV ) в максимуме упругих потерь. Значение пороговой энергии смещения составляло 15 эВ. В таблице также даны интегральные по пробегу значения смещений для каждого из ионов. Следствием более высокой локальной плотности вакансий в центральной области ионного трека при облучении висмутом может быть образование как большего числа, так и более крупных кластеров дефектов вакансионного типа вдоль траектории ионов, особенно в максимуме упругих потерь, по сравнению с другими ионами. Кроме этого, нельзя исключать и специфические эффекты воздействия на структуру кремРис. 3. Зависимость средней концентрации носителей заряния высокой плотности ионизации, несмотря на то что да N от времени отжига t при 450C в объеме образцов Si при облучении высокоэнергетическими ионами до уров(за областью Rp), имплантированных ионами Bi, Kr, и в ня 30 кэВ/нм ионизация не является самостоятельным контрольном образце. Энергии и дозы облучения указаны на рисунке. источником образования радиационных дефектов [7].
Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 568 С.А. Смагулова, И.В. Антонова, Е.П. Неустроев, В.А. Скуратов Таблица 2. Характеристика первичных радиационных по- Альтернативным объяснением совпадения пространвреждений, создаваемых в кремнии при облучении ионами ственного распределения доноров и акцепторов может висмута, криптона и азота быть реализация следующей схемы. Как уже упоминалось, согласно выводам работы [6], термоакцепторы (dE/dx)ion, NV, NV F, NVI, являются сложными комплексами вакансий с фоновыми Ион кэВ/нм нм-1 1021 см-3 1018 см-примесями, т. е. крупные вакансионные кластеры, вводимые висмутом и декорированные примесями, создают Bi+ 22.5 19.7 1.4 1.термоакцепторы. В процессе термообработки происхоKr+ 9.2 10.8 1.1 3.(305 МэВ) дит распад крупных вакансионных кластеров на более мелкие, причем из-за относительно низкой температуПримечание. (dE/dx)ion Ч максимальные ионизационные потери в ры отжига (450C) для этого, по-видимому, требуется расчете на один ион, NV Ч количество вакансий в максимуме упругих несколько часов. После распада вакансионных кластеров потерь в расчете на один ион, NV F Ч расчетная концентрация вакансий в максимуме упругих потерь при использованной дозе ионов, и появления в кристалле точечных вакансионных дефекNVI Ч интегральное по пробегу количество вакансий, созданных при тов последние проявляют себя в качестве катализатора данной дозе облучения.
для формирования кислородных термодоноров.
При использовании ионной имплантации частиц с меньшими энергией и массой (N+ [9] и Kr+), когда К таким эффектам можно отнести снижение величины достаточно крупные вакансионные кластеры не формипороговой энергии смещений атомов из узлов решетки, руются, не наблюдается введения акцепторных центров.
наблюдавшееся при облучении кремния ионами Xe с Кинетика отжига более мелких радиационных дефекэнергией 5.68 ГэВ [8]. В то же время из-за существенно тов Ч другая, и в результате при облучении Kr+ вблизи более низкой дозы облучения интегральное количество поверхности происходит формирование термодоноров нарушений (см. табл. 2) при облучении висмутом приуже после отжига в течение t = 2ч.
мерно на порядок ниже, чем в случае Kr или N. Вероятно, различие в локальной плотности (концентрации в об4.2. Эффекты, наблюдаемые за Rp ласти ионного трека) и спектре кластеров дефектов, т. е.
формирование более крупных вакансионных кластеров Как правило, за областью проективного пробега при облучении ионами Bi, объясняет факт, что только ионов высоких энергий никаких изменений в скоростях в этом случае уже при небольших дозах облучения введения термодоноров при отжиге имплантированных происходит формирование термоакцепторов.
кристаллов по сравнению с исходным не наблюдалось Пик концентрации акцепторов на глубине 10 мкм (рис. 3, Kr+) [9]. Использование ионов с большими (рис. 1) соответствует области эффективного геттемассой и энергией (Bi+) привело к появлению еще однорирования различных примесей (эффект (1/2)Rp) на го необычного эффекта Ч ускоренному формированию вакансионных дефектах [2Ц4]. Максимум в районе Rp термодоноров во всем ненарушенном слое кристалла также совпадает с максимумом крупных вакансионных за областью Rp. Аналогичные эффекты обычно имеют нарушений в кремнии, и в то же время это Ч область, место при имплантации ионов средних энергий [10,11].
в которую эффективно геттерируются различные приУскоренное введение доноров за областью Rp обычмеси, в частности кислород [3]. Это означает, что роль но наблюдается в интервале температур 380-520C вакансий в формировании термоакцепторов может быть и только в Cz -Si, содержащем кислород [10,11], что опосредованной. Например, вакансии просто играют позволяет говорить о термодонорах (TД). В качестве роль центров зарождения каких-либо комплексов (клавозможных механизмов ускорения введения ТД часто стеров) из примеси, геттерируемой на радиационных привлекают появление в кристалле дополнительной коннарушениях.
Pages: | 1 | 2 | Книги по разным темам