WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 3 Диффузионное насыщение примесью олова нелегированного аморфного гидрированного кремния © А.Н. Кабалдин, В.Б. Неймаш, В.М. Цмоць, В.С. Штым Институт физики Национальной академии наук Украины, 252650 Киев, Украина (Получена 10 июня 1997 г. Принята к печати 28 августа 1997 г.) Изучено влияние радиационных дефектов на полевые и температурные зависимости магнитной восприимчивости монокристаллического Si. Обнаружена нелинейная зависимость магнитной восприимчивости облученного Si от магнитного поля, которая объясняется магнитным упорядочением A-центров, и сделан вывод о существовании скоплений этих центров с локальной концентрацией порядка 1021 см-3. Предложено объяснение ”диффузионного парадокса” в образовании кислородосодержащих термодоноров, основанное на учете микронеоднородностей пространственного распределения термодоноров и межузельного кислорода в Si.

Введение удельного сопротивления в Ом·см) с исходными параметрами приведенными в таблице, где указаны концентраМежузельный кислород Oi является основной остации: n300 — электронов при T = 300 K, NO — примеси точной технологической примесью в промышленном Si, кислорода, NC — примеси углерода.

одна из особенностей поведения которой состоит в пространственно неоднородном распределении в кри№образца Материал n300, см-3 NO, см-3 NC, см-3 сталлах. Благодаря успехам технологии в последнее время получены кристаллы Si, макроскопическая неод- 1 КЭФ-0.3 1.5 · 1016 9 · 1017 < 5 · 1016 нородность которых по распределению Oi в масштабе 2 КЭФ-1 5 · 1015 1 · 1018 < 5 · 1016 3 КЭФ-45 7 · 1013 8 · 1017 < 5 · 1016 (10-1-1) см не превышает 10% [1]. В то же время по мере миниатюризации элементов твердотельной электроники становится актуальным контроль микронеодноДля введения радиационных дефектов (РД) родностей распределения Oi с размерами в единицы и десятые доли микрона, косвенным проявлением кото- образцы облучались электронами с энергией рых являются скопления кислородосодержащих термо- 3.5 МэВ при T < 80C в интервале флюенсов доноров (ТД) [2,3]. Однако вопрос об однозначности e = (1016-5 · 1016) см-2. Контроль за накоплением корреляции между микроскоплениями ТД и микронеод- вторичных радиационных дефектов (ВРД) нородностями в распределении кислорода в исходном осуществлялся по температурным зависимостям материале остается открытым. Это обусловлено тем, коэффициента Холла в диапазоне (80-300) K. На что окончательно не выяснены природа и механизм облученных и контрольных образцах определялись образования ТД. В частности, не объяснен так называеполевые и температурные зависимости магнитной мый ”диффузионный парадокс” ТД: противоречие между восприимчивости (МВ) с помощью методики значением коэффициента диффузии Oi, рассчитанным из измерения статической МВ, описанной в [8].

кинетики генерации ТД, рассматриваемых как однородно Относительная погрешность измерений не превышала распределенные по кристаллу комплексы SiOn, и значи3%, чувствительность составляла 3·1015 µB. Измерялась тельно меньшим его значением, получаемым из прямых полная МВ, которую в дальнейшем будем обозначать.

экспериментов [4]. Если найдет подтверждение хотя бы одна из моделей ускоренной низкотемпературной диффузии Oi в Si [5–7], то существование скоплений ТД нельзя Результаты эксперимента будет однозначно связать с наличием неоднородностей в и их обсуждение распределении Oi в исходном Si. Поэтому целью настоящей работы является попытка выявить микроскопления На рис. 1, a приведены зависимости от напряженнокислородосодержащих дефектов, образование которых сти магнитного поля H для исходных образцов кремния не требует диффузии Oi. В качестве таковых могут (см. таблицу) при 300 и 80 K. Видно, что при этих рассматриваться вторичные радиационные дефекты с температурах не зависит от H, совпадает для всех участием атомов кислорода.

рассматриваемых материалов и по порядку величины соответствует значениям, характерным для МВ кристаллической решетки Si L.

Методика эксперимента На рис. 1, b приведены зависимости (H) для облученВ эксперименте использовались образцы промышлен- ных образцов (e = 5·1016 см-2). Видно, что облучение ного Si марок КЭФ-0.3, КЭФ-1 и КЭФ-45 (Si, легиро- не влияет на зависимость (H) при 300 K, но изменяет ванный фосфором, с указанными цифрами величинами ее в образцах КЭФ-0.3 и КЭФ-1 при 80 K. В этом случае, Диффузионное насыщение примесью олова нелегированного аморфного гидрированного кремния Для определения типа РД, ответственных за изменение МВ после облучения, мы проводили изохронный отжиг исследуемых образцов. Оказалось, что при отжиге E-центров в интервале температур (120-150)C происходит увеличение параметра or(0.3) приблизительно на 30%, а параметр p остается неизменным. При этом из кривых зависимостей n(1/T ) можно видеть, что происходит отрицательный отжиг A-центров с почти двукратным ростом их концентрации NA. При отжиге A-центров в интервале (330-370)C величины как p, так и or(0.3) уменьшаются до нуля.

Полученные результаты возможно интерпретировать следующим образом. Возникновение парамагнитной составляющей p можно объяснить парамагнетизмом неспаренных электронов, находящихся на глубоких уровнях A- иE-центров с энергиями Ec-0.17 эВ и Ec-0.44 эВ соответственно. Температурная зависимость параметра p в этом случае объясняется законом Кюри–Вейсса и Рис. 1. Полевые зависимости магнитной восприимчиво- вымораживанием электронов на уровень A-центров при сти для образцов: a — исходных, b — облученных при понижении температуры от 300 до 80 K. Зависимость e = 5 · 1016 см-2; марки Si: 1 — КЭФ-0.3, 2 — КЭФ-1, величины p от удельного сопротивления исходных ма3 — КЭФ-45. Результаты измерения при T = 80 K показаны териалов (рис. 1, b), по-видимому, обусловлена степенью светлыми значками, при T = 300 K — темными.

заполнения электронами уровней A- и E-центров при 80 K. Так, в образце 3 (см. таблицу) концентрация свободных носителей, определяемая примесью фосфора, слишком мала для того, чтобы перезарядить достаточное во-первых, появляется нелинейность зависимости (H), для чувствительности используемой нами аппаратуры во-вторых, диамагнетизм образцов в области насыщеколичество РД. Поэтому в образце 3 p = 0, в то ния зависимостей (H) при H = 4 кЭ уменьшается.

время как в образце 2 p = 0.3 · 10-8 см3г-1, а в Обозначим через p парамагнитную составляющую, отобразце 1 p = 1.1·10-8 см3г-1. То, что параметр p при ветственную за уменьшение диамагнетизма облученных отжиге E-центров (сопровождающемся ростом NA) не образцов, а через or — составляющую МВ, обуслоизменяется, по-видимому, означает перекачку спинов из вленную магнитным упорядочением и ответственную за E-центров на A-центры, т. е. вакансии V, освобождающиепоявление зависимости (H). В принятых обозначениях ся при отжиге E-центров, в основном захватываются атоэкспериментально измеренные значения (H) являются мами Oi, приводя к образованию A-центров. В результате суммой 3 слагаемых:

этого суммарный парамагнетизм остается неизменным.

(H) =L +p +or(H).

Величина p для каждого из исследованных образцов определялась как разность p = (4кЭ)-L, и соответственно or = (H) - (4кЭ).

Значения величин p и or(0.3) (0.3) - (4кЭ) для каждого из образцов коррелируют с исходной концентрацией свободных носителей тока.

На рис. 2 приведены аналогичные зависимости для образцов КЭФ-0.3, облученных различными флюенсами:

e = 5 · 1016 см-2 (1, 2), e = 3 · 1016 см-2 (3, 4). Видно, Рис. 2. Зависимость магнитной восприимчивости от напрячто значения p и or(0.3) коррелируют с величиной женности магнитного поля H образцов КЭФ-0.3, облученных флюенсами e, 1016 см-2: 1, 2 —5, 3, 4 — 3. Светлые и темные потока облучения, т. е. с концентрацией радиационных значки означают то же, что и на рис. 1.

дефектов.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 294 А.Н. Кабалдин, В.Б. Неймаш, В.М. Цмоць, В.С. Штым следствием обменного взаимодействия. В свою очередь обменные взаимодействия подразделяются на два класса.

1. Прямой (или контактный) обмен, осуществляющийся между магнитными моментами ионов, расстояние между которыми достаточно мало для того, чтобы происходило перекрывание их волновых функций.

2. Непрямой (или косвенный) обмен, связывающий магнитные моменты, расположенные на относительно больших расстояниях друг от друга. Осуществляется через посредников, которыми могут служить делокализованные электроны или немагнитные ионы в решетке.

Для объяснения результатов нашего эксперимента наиболее применима гипотеза магнитного упорядочения в результате прямого обменного взаимодействия. Это обусловлено тем, что концентрация примесных атомов (NP 1016 см-3), которые могут служить в решетке Si Рис. 3. Температурные зависимости параметра or(0.3) (кринемагнитными ионами, а также концентрация электровая 1) и степени электронного заполнения уровня A-центров - нов проводимости (n300 1016 см-3), имеющихся даже NA /NA (кривая 2) в облученном Si марки КЭФ-0.3.

в образце КЭФ-0.3, недостаточны для осуществления непрямого обменного взаимодействия [10].

Различают следующие основные типы магнитного упоКак видно из рис. 1, b и 2, полевые зависимости рядочения, которые осуществляются с помощью прямо(H) имеют вид, характерный для ферромагнетиков и го обменного взаимодействия [9]: а) ферромагнетизм, других материалов с магнитным упорядочением коопе- б) антиферромагнетизм, в) ферримагнетизм, г) метаративного типа [9]. Величина or(0.3) характеризует магнетизм, д) суперпарамагнетизм, e) асперомагнетизм, собой степень этого упорядочения. Поэтому корреляция ж) гелиемагнетизм, з) сперимагнетизм.

этого параметра с отжигом A-центров, с накоплением Анализ вышеуказанных механизмов магнитного упоA-центров при облучении и со степенью электронного рядочения, а также сопоставление характерных для них заполнения энергетических уровней A-центров (в за- полевых и температурных зависимостей МВ с эксперивисимости от температуры и удельного сопротивления ментально полученными зависимостями свидетельствуматериала) является, на наш взгляд, достаточным дока- ют, что для объяснения результатов нашего эксперизательством ответственности за указанное упорядочение мента наиболее применим механизм асперомагнитного именно A-центров.

упорядочения A-центров в результате прямого обменНа рис. 3 приведены температурные зависимости пара- ного взаимодействия. Однако для установления между метра or(0.3) (кривая 1) и степени заполнения электро- отдельными парамагнитными центрами взаимодействия нами уровня A-центра (кривая 2) в облученном образце такого вида необходимо частичное перекрытие их элекКЭФ-0.3. Видно, что зависимость МВ от температуры тронных волновых функций. Согласно [11], электронный возникает при T < 160 K, когда большая часть электро- уровень A-центра соответствует антисвязывающей орбинов уже выморожена на A-центры с энергией Ec-0.17 эВ, тали замкнутых друг на друга оборванных связей Si–Si т. е. наличие электронов на A-центрах является необхо- вакансионной части комплекса V–O. Поэтому радиус димым, но недостаточным условием их магнитного упо- локализации электрона на этом уровне по порядку велирядочения. Видимо, существует некоторая критическая чины можно также считать равным постоянной решетки.

температура, выше которой упорядочения A-центров не В этом случае для перекрытия электронных облаков Aнаступает. центров требуется концентрация NA порядка 1021 см-3.

Измерить достаточно точно температурную зависи- Концентрация же заряженных A-центров NA определенмость параметра p и определить ее соответствие за- ная по холловским измерениям, не превышает 1016 см-3.

кону Кюри–Вейсса не удалось из-за недостаточной чув- Это противоречие снимается, если предположить, что ствительности использованной экспериментальной уста- определенная часть A-центров находится в скоплениях, новки. где их локальная концентрация достигает величины, неОсновным результатом представленной эксперимен- обходимой для установления обменного взаимодействия.

тальной работы является обнаружение в облученном Si Эти скопления, по-видимому, ”отслеживают” неоднороднелинейности полевой зависимости МВ, коррелирующей ности распределения Oi в исходном Si-типа ”кислородс концентрацией и зарядовым состоянием A-центров. ные облака” (термин, введенный в работах [12,13]).

Как уже отмечалось, нелинейность зависимости (H) в Полученные результаты могут означать существоваобласти слабых полей является характерным признаком ние более мелких, но более ”плотных” (концентриромагнитного упорядочения кооперативного типа. Соглас- ванных) кислородных облаков, чем те, которые косно [9], кооперативное магнитное состояние является венно детектируются методом малоуглового рассеяния Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Диффузионное насыщение примесью олова нелегированного аморфного гидрированного кремния света [12]. Приведенные здесь результаты, на наш взгляд, Авторы благодарят А.Н. Крайчинского за полезное позволяют положительно ответить на вопрос, поставлен- обсуждение результатов работы.

ный в начале статьи, о существовании пространственной корреляции между микроскоплениями термодоноров Список литературы и неоднородностями распределения Oi в исходном Si.

Соответственно, с учетом данных [2,3] о наличии в Si [1] В.А. Ильчишин, В.Н. Степченков. Электрон. техн., сер.

микроскоплений ТД можно предложить и объяснение Материалы, №2, 3 (1983).

”диффузионного парадокса” ТД. Суть этого объясне[2] В.Б. Неймаш, Т.Р. Саган, В.М. Цмоць, В.И. Шаховцов, ния сводится к следующему. При достаточно высокой В.С. Штым и др. ФТП, 25, 1864 (1991).

локальной концентрации атомов Oi в исходных кисло- [3] А.Н. Кабалдин, В.Б. Неймаш, В.М. Цмоць, В.И. Шаховцов, А.В. Батунина и др. УФЖ, 38, 34 (1993).

родных облаках расстояние между ними может оказаться [4] Y. Itoh, T. Nazaki. Jap. J. Appl. Phys., 24, 279 (1985).

достаточным для образования термодонорных комплек[5] R.C. Newman, A.S. Oates, F.M. Livingston. J. Phys. C: Sol. St.

сов типа SiOn даже при малых значениях коэффициента Phys., 16, 667 (1983).

диффузии Oi. Доля атомов Oi, находящихся в облаках, по [6] B. Pajot, H. Compain, J. Leroweille, B. Clerjawd. Physika оценкам из кинетики генерации ТД составляет не более B + C, 117/118, 110 (1983).

1–2% от общего содержания кислорода [14] и поэтому [7] U. Gosele, T. Tan. Symp. Boston Mass. (Nov. 4, e.a. 1982) скопления этих атомов не проявляют себя в других 153 (1983).

экспериментах, в том числе и электрических. Однако [8] В.М. Цмощь, М.Ю. Войтусик, В.М. Мельник, В.С. Штым.

именно они способны определять темп генерации ТД Бюл. изобретений и открытий, № 185, 138 (1988).

на начальных этапах. При расчетах же коэффициента [9] К.М. Херд. УФН, 142, 331 (1984).

диффузии Oi из кинетики генерации ТД наличие кисло- [10] З. Метфессель, Д. Маттис. В кн.: Магнитные полупроводники (М., Мир, 1072).

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.