WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 5 Релаксация дефектной подсистемы кремния, модифицированной облучением тяжелыми ионами высоких энергий † © С.А. Смагулова, И.В. Антонова, Е.П. Неустроев, В.А. Скуратов Якутский государственный университет, 677891 Якутск, Россия Новосибирский институт физики полупроводников, 630090 Новосибирск, Россия † Объединенный институт ядерных исследований, 141980 Дубна, Россия (Получена 14 октября 2002 г. Принята к печати 28 октября 2002 г.) Проведено исследование релаксации дефектной подсистемы кремния, нарушенной имплантацией тяжелыми ионами высоких энергий, на примере изменения электрофизических свойств кристалла, отожженного при температуре 450C. Показано, что при облучении относительно низкими дозами тяжелых ионов Bi и относительно коротком отжиге (время отжига не превышает 5 ч) происходит введение термоакцепторов, распределение которых имеет два максимума на глубинах 10 мкм и в окрестности проективного пробега ионов, равного 43.5 мкм. Максимумы в распределении термоакцепторов соответствуют областям, обогащенным вакансионными дефектами. При увеличении времени отжига происходит трансформация акцепторных центров в донорные с сохранением пространственного распределения. Одновременно происходит практически однородное введение термодоноров во всем кристалле за областью проективного пробега ионов.

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 — 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 350–380 мкм, вырасти до (1/2)Rp, Rp — 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 —2, b —5, c —7, d — 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 — 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 6–7мкм.

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 — максимальные ионизационные потери в ры отжига (450C) для этого, по-видимому, требуется расчете на один ион, NV — количество вакансий в максимуме упругих несколько часов. После распада вакансионных кластеров потерь в расчете на один ион, NV F — расчетная концентрация вакансий в максимуме упругих потерь при использованной дозе ионов, и появления в кристалле точечных вакансионных дефекNVI — 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 — 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 — ускоренному формированию вакансионных дефектах [2–4]. 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 — 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:     || 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.