WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. 4 Мелкие термодоноры в монокристаллах кремния, легированных азотом © В.В. Воронков, Г.И. Воронкова, А.В. Батунина, В.Н. Головина, Л.В. Арапкина, Н.Б. Тюрина, А.С. Гуляева, М.Г. Мильвидский Государственный научно-иссследовательский институт редких металлов (ГИРЕДМЕТ), 109017 Москва, Россия E-mail: icpm@mail.girmet.ru (Поступила в Редакцию 11 апреля 2001 г.

В окончательной редакции 6 августа 2001 г.) Кристаллы кремния, выращенные методом Чохральского и легированные азотом, содержат мелкие термодоноры (МТД), отсутствующие в контрольных кристаллах. В процессе отжига при температурах 600 или 650C концентрация МТД выходит на насыщение, и эта концентрация зависит от содержания азота N по закону N1/2. Данный результат указывает на то, что МТД включает в свой состав только один атом азота, и наиболее вероятной моделью МТД-дефекта является комплекс NOm межузельного атома азота и m атомов кислорода. Число m оценено по данным о температурной зависимости константы равновесия для реакции образования комплекса, в среднем m = 3.

Мелкие одиночные термодоноры с энергией иониза- уровней легирования. Подобные данные позволяют суции от 35 до 37 meV наблюдались в монокристаллах дить о химическом составе МТД-дефектов.

кремния, полученных методом Чохральского, как непосредственно после выращивания кристаллов кремния, 1. Эксперимент так и при последующих термообработках в широком интервале температур [1–8]. Этим дефектам соответДля исследования использовались образцы из трех ствует несколько острых пиков в инфракрасном спектре, кристаллов кремния диаметром 150 mm, выращенных и они могут вносить существенный вклад в концентраметодом Чохральского в идентичных условиях. Два из цию носителей. Природа мелких термодоноров (МТД), них были легированы азотом с помощью введения нинаблюдаемых после низкотемпературного отжига (вблитрида кремния в расплав, а третий служил контрольным зи 470C), не вполне понятна [2,3,7,8]. Возможно, что образцом. Исходная концентрация азота в расплаве Nсуществует несколько центров разной химической прибыла 1018 cm-3 (для первого кристалла) и 1017 cm-роды, но с близкими мелкими уровнями. С другой сторо(для второго). Коэффициент распределения K для прины, МТД в постростовом состоянии и после отжига при меси азота [12] гораздо меньше единицы: K = 7 · 10-4, средних температурах 600-700C наблюдались только и поэтому почти весь азот сохраняется в расплаве в в кристаллах, содержащих высокую концентрацию киспроцессе выращивания. Концентрация азота в расплаве лорода и легированных азотом [1,3–6]. В этих случаях N возрастает по мере увеличения доли g затвердевшего МТД определенно являются азотно-кислородными комкремния, концентрация азота в кристалле (N = KN) плексами, и их свойства привлекают внимание многих повторяет это изменение исследователей. Область средних температур, исполь зуемая для генерации ”азотных” МТД, примечательна N = KN0 /(1 - g). (1) тем, что в образцах кремния (не легированных азотом) происходят быстрый отжиг обычных (двойных) Она существенно возрастает по длине кристалла; в кислородных термодоноров и генерация так называемых нашем случае — примерно в 5 раз от начальной до новых — или вторых — кислородных термодоноров конечной части.

(НТД) [9,10]. Однако НТД возникают только после Другие характеристики кристаллов следующие: содеротносительно долговременного отжига (по сравнению с жание кислорода почти однородно по длине и по радиусу быстрой генерацией МТД в образцах с примесью азота), и близко к 7 · 1017 cm-3 (при использовании оптического поэтому два указанных типа термодоноров достаточно калибровочного коэффициента 2.45 · 1017 cm-2), содернадежно разделены. Более того, согласно данным [11], в жание углерода ниже оптического предела чувствительприсутствии примеси азота образование НТД полностью ности (3·1015 cm-3), концентрация легирующей примеси подавлено даже при длительном отжиге. Следовательно, бора составляет 5 · 1014 cm-3 или меньше.

кинетику генерации МТД при 600-700C можно иссле- Из исходных шайб (толщиной 1 mm), соответствуюдовать просто по изменению концентрации носителей, щих различным позициям в кристалле g, были вырезаны не привлекая оптические методы. Основной источник по- прямоугольные образцы длиной 12 mm и шириной 3 mm.

лезной информации — возможность сравнения образцов Образцы подвергались изотермическому отжигу при нес различной концентрацией азота в широком диапазоне скольких температурах (в основном при 600 или 650C).

Мелкие термодоноры в монокристаллах кремния, легированных азотом Концентрация носителей тока при комнатной температуре (в одних случаях электронов nr, в других — дырок pr) определялась с помощью эффекта Холла. Для контроля положения энергетического уровня термодоноров на некоторых образцах измерялась температурная зависимость эффекта Холла до температуры жидкого гелия.

Концентрация МТД (однозарядных мелких доноров), обозначаемая далее Ns, вычислялась как Ns = NB + nr Рис. 2. Зависимость концентрации МТД от времени отжига (для образцов n-типа) или как Ns = NB-pr (для образцов при 600C. Концентрация азота N ·10-14, cm-3: 1 —8, 2 — 11, p-типа). Для определения концентрации акцепторных 3 — 17.

центров бора NB некоторые образцы, взятые в постростовом состоянии, отжигались при 900C в течение или 10 min для устранения ростовых термодоноров. Эти образцы всегда имели проводимость p-типа, и для них проводилось стандартное [13] раздельное определение NB и (обычно небольшой) останочной концентрации компенсирующих доноров на основе измерений эффекта Холла в интервале от комнатной температуры до 15 K.

2. Результаты Пример температурной зависимости концентрации электронов n(T ) по данным измерения эффекта Холла приведен на рис. 1 для образца с относительно высоким содержанием азота после термообработки при 600C.

Убывание n при низких температурах обусловлено захватом электронов мелким уровнем Ec — 36 meV, который согласуется с положением донорных уровней МТД, известным из оптических измерений [1–8].

Типичные кинетические кривые Ns (t) (зависимость концентрации МТД от времени отжига) для образцов с разной концентрацией азота приведены на рис. 2 (отжиг при 600C). В исходном (постростовом) состоянии эти образцы обычно имели проводимость n-типа благодаря присутствию ростовых термодоноров: как обычных Рис. 3. Зависимость концентрации МТД на стадии насыщения (двойных) кислородных термодоноров, так и МТД. Од(для интервала времен отжига 4–8 h) от содержания азота в образцах, отожженных при 600 (a) и 650C (b). Сплошные линии — расчетные кривые, полученные с помощью уравнения (7).

нако при 600C двойные термодоноры быстро (в течение получаса) исчезают, и образцы приобретают проводимость p-типа. На этой стадии концентрация МТД меньше, чем концентрация акцепторов NB. При дальнейшем увеличении длительности отжига n-тип проводимости восстанавливается благодаря увеличению концентрации Ns. Величина Ns достигает насыщения примерно после 6 h отжига. В образцах из контрольного кристалла отжиг Рис. 1. Температурная зависимость концентрации электронов при 600 или 650C быстро приводил к проводимости по данным измерения эффекта Хрола до температуры жидкого p-типа, причем концентрация дырок была близка к гелия. Образец с концентрацией азота N = 2 · 1015 cm-концентрации акцепторов бора. Следовательно, в этом был подвергнут термообработке при 600C в течение 4 h.

температурном интервале МТД не генерируются в отНизкотемпературная часть этой кривой соответствует мелкому донорному уровню 36 meV. сутствие примеси азота.

Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. 702 В.В. Воронков, Г.И. Воронкова, А.В. Батунина, В.Н. Головина, Л.В. Арапкина, Н.Б. Тюрина...

Зависимость концентрации Ns (на стадии насыщения) Таким образом, аномально большой предэкспоненциот концентрации примеси азота N представлена на рис. 3. альный фактор в зависимости D(T ) свидетельствует в Эти данные были получены для двух температур отжига пользу относительно слабой диссоциации молекулярного (600 и 650C) и являются основным результатом на- азота при температурах ниже 1100C и тем более в стоящей работы. Оназалось, что Ns пропорциональна не нашем температурном интервале (ниже 700C). Теореконцентрации азота N, а квадратному корню из N.

тические расчеты энергий разных форм азота [19,20] приводят к еще более категоричному утверждению — о преобладании молекулярной формы вплоть до темпе3. Обсуждение результатов ратуры плавления.

Следовательно, с учетом формулы (2) можно утверХорошо известно, что азот в кремнии, полученном ждать, что зависимость концентрации МТД от полной бестигельной зонной плавкой (т. е. с низким содержанием кислорода), существует при комнатной температуре пре- концентрации азота N по закону N1/2 (рис. 3) указывает на существование одного межузельного атома азоимущественно в молекулярной форме N2. Это относится та в каждом МТД-дефекте. Концентрация межузельных как к образцам с имплантированным азотом [14], так и атомов азота C1 в равновесии с молекулярной форк кристаллам, легированным из расплава [5]. Наиболее вероятная форма молекулярного состояния — комплекс мой пропорциональна N1/2 (фактически эта зависимость двух межузельных атомов азота [16]. При повышении должна быть скорректирована с учетом вклада МТД температуры молекулярный азот N2 частично диссо- в полную концентрацию N, однако качественно закон циирует на два межузельных атома, но в интервале N1/2 выполняется при не слишком низком значении N).

температур вблизи 650C молекулярная форма должна Атомарный азот реагирует с кислородом и образует еще преобладать. МТД-комплексы NOm, и их равновесная концентрация В пользу этого утверждения свидетельствуют дан- пропорциональна C1, а следовательно, N1/2. Данная ные [17] о коэффициенте диффузии азота D в бестигель- модель МТД-дефектов согласуется с результатами [21] ном кремнии в температурном интервале 1000-1100C.

по расчету электронных свойств комплексов NOm; соПредэкспоненциальный фактор в зависимости D(T ) ока- гласно этой работе, данные комплексы должны быть зался аномально велик (2.7 · 103 cm2/s), в то время мелкими донорами при m > 1.

как для межузельных примесей в кремнии его величиСемейство МТД включает несколько комплексов NOm на 0.1cm2/s [18]. Это аномально высокое значение с разным ”кислородным” размером m. Равновесная легко объясняется, если предположить, что диффузия концентрация каждого такого комплекса Nsm выражается азота происходит путем переноса быстродиффундируючерез концентрации реагентов C1 (атомарного азота) и щих межузельных атомов азота (имеющих коэффициент C (кислорода) по закону действующих масс аналогичдиффузии D1), составляющих лишь малую фракцию от но (2) полной концентрации азота N. Концентрации двух форм C1Cm/Nsm = m exp(-Em/kT ), (4) азота C1 (подвижная атомарная межузельная форма) и C2 (малоподвижная молекулярная межузельная форма) где Em — энергия диссоциации комплекса NOm на связаны законом действующих масс отдельные атомы.

Мы предполагаем, что на стадии насыщения конценC2/C2 = exp(-E/kT ), (2) трация МТД соответствует полному равновесию, когда где равно по порядку величины плотности мест для оба равновесных соотношения (2) и (4) выполняются межузельных атомов (5 · 1022 cm-3), а E — энергия дис- для всех членов МТД-семейства, вносящих основной социации молекулы. При преобладании молекулярной вклад в Ns. Чтобы окончательно выразить концентрацию формы C2 близка к N/2, и C1 выражается как каждого МТД-дефекта Nsm через полные концентрации азота и кислорода, следует принять во внимание, что в C1 (N/2)1/2 exp(-E/2kT ). (3) кремнии с высокой концентрацией кислорода (полученном методом Чохральского) некоторая доля молекулярДиффузионный поток примеси (т. е. межузельных атоного азота подобно атомарному азота связана с кисломов) равен -D1dC1/dx. Он выражается через грародом, образуя, скорее всего, электрически неактивные диент полной концентрации (dN/dx) в соответствии комплексы N2O [14,22]. Этот эффект проявляется в с (3). С другой стороны, этот поток равен -DdN/dx, возникновении сателлитных инфракрасных пиков, близгде D — эффективный (измеряемый) коэффициент диффузии. Следовательно, D = 0.5D1C1/N. Пол- ких к вибрационным пикам молекулярной формы N2.

Таким образом, молекулярный азот существует в двух ный предэкспоненциальный множитель этого выражения формах (N2 и N2O), и соотношение их концентраций включает множитель, обусловленный коэффициентом при температурах вблизи 650C неизвестно. Однако это диффузии D1 (и имеющий ”нормальное” значение), и добавочный фактор (/8N)1/2, по порядку величины не приводит к существенному усложнению модели, если равный 103 (для фактической концентрации азота в допустить, что концентрации двух указанных форм Cдиффузионном эксперименте). (для состояния N2) и C (для состояния N2O) находятся Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. Мелкие термодоноры в монокристаллах кремния, легированных азотом в равновесном соотношении C2C/C = exp(-E/kT ), (5) где E — энергия диссоциации N2O-комплекса на N2 и атом кислорода.

Полная концентрация азота N теперь включает вклад обеих молекулярных форм (N2 и N2O) и вклад всех МТД-дефектов (комплексов NOm с разным m) N = 2(C2 + C) +Ns. (6) Комбинируя соотношения (2) и (4)–(6), получаем обРис. 4. Температурная зависимость константы равновещее уравнение, связывающее концентрацию Ns (равную сия R, характеризующей образование МТД-дефектов (комплексумме всех индивидуальных вкладов Nsm комплексов с сов NOm).

разным m) и полную концентрацию примеси азота N, Ns /(N - Ns ) =R(C). (7) Здесь R — константа равновесия, величина R выра- аппроксимируется обычным экспоненциальным законом Аррениуса с энергией активации 3.3 eV и предэкспожается в виде суммы по всем МТД-дефектам с разным m. В частности, если преобладают МТД с одним ненциальным фактором 4.5 · 10-5 cm-3. Согласно форопределенным размером m, то муле (8), функция R(T ) сводится к экспоненциальной, если один из молекулярных комплексов (либо N2, либо 0.5(C/)2m exp(m/kT ) N2O) преобладает над другим. Если преобладающей R(C) =, (8) 1 +(C/) exp(E/kT ) формой является N2, то предэкспоненциальный фактор в R(T) равен 0.5(C/)2m, в противном случае он согде m = 2Em - E — комбинация введенных выше ставляет 0.5(C/)2m-1. Зависимость от концентрации энергий диссоциации. В общем случае, когда имеется кислорода степенная (типа Cq), и численное значение несколько МТД-дефектов с разным m и со сравнимыми предэкспоненциального фактора соответствует показаконцентрациями, можно сохранить выражение (8), но телю q = 5.5. Два указанных выражения для этого трактовать число m в этой формуле как некоторый фактора дают различную связь показателя q с размером средний кислородный размер комплексов NOm.

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.