WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 7 Формирование электрически активных центров в кремнии, облученном электронами, в интервале температур 400-700C © Е.П. Неустроев, С.А. Смагулова, И.В. Антонова, Л.Н. Сафронов Якутский государственный университет, 677891 Якутск, Россия Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия (Получена 18 ноября 2003 г. Принята к печати 26 ноября 2003 г.) Изучено влияние облучения электронами на формирование термодоноров в кремнии. Обнаружено образование областей n- и p-типа проводимости в объеме монокристаллического кремния, облученного электронами и отожженного при температуре 450C. Концентрации носителей в областях обоих типов проводимости возрастают с увеличением дозы облучения и времени отжига, что говорит о формировании не только термодоноров, но и термоакцепторов. Неоднородность распределения акцепторных и донорных центров коррелирует с флуктуациями в концентрации кислорода в кремнии.

1. Введение родсодержащий кремний и при других видах облучения, например при облучении электронами. Результирующий тип проводимости и количество носителей заряда будут Переход к нанометровым масштабам в современной электронике привел к снижению температур, используе- определяться соотношением количества термодоноров и термоакцепторов в облученном кремнии.

мых на всех этапах технологии изготовления приборных Цель данной работы — исследование влияния обструктур до 700-800C [1]. В то же время отжиг лучения электронами на формирование электрически кристаллов кремния при относительно невысоких темактивных центров (термодоноров и термоакцепторов) пературах (400-700C) приводит к формированию элекв кислородсодержащем кремнии в интервале температрически активных центров как донорного (термодонотур 400-700C.

ры) [2], так и акцепторного типа (термоакцепторы) [3,4].

Несмотря на то что термодоноры (ТД) исследуются в течение многих лет, общепризнанная модель этих 2. Методика эксперимента центров отсутствует до настоящего времени. В последнее время наиболее распространены модели, согласно Исследовались монокристаллы кремния, выращенкоторым образование термодоноров происходит путем ные методом Чохральского и имеющие p-тип провопоследовательного присоединения атомов кислорода к димости с концентрацией легирующей примеси (бозаряженному ядру [5]. Это приводит к формированию ра) 8 · 1014 см-3. Концентрация кислорода в образцах серии близко расположенных энергетических уровней составляла 8 · 1017 см-3 (для определения количества вблизи дна зоны проводимости. С другой стороны, кислорода использован пик поглощения при 1107 см-несомненно, что на процессы выделения кислорода из с калибровочным коэффициентом 3.14 · 1017 см-2). Импересыщенного раствора кислорода в кремнии при тер- пульсное облучение длительностью 400 мкс с плотмообработках оказывает воздействие дефектная струк- ностью тока 0.1-0.3А/см2 проводилось электронами с энергией 2.0 МэВ. Доза облучения варьировалась тура кристалла, которая определяется прежде всего в пределах 1014-1017 см-2 (для образца, обозначенростовыми дефектами и дефектами, формируемыми в ного как E1, доза облучения составляла 1014 см-2, процессе создания приборов (термообработки, ионная E2 — 1015 см-2, E3 — 1016 см-2, E4 — 1017 см-2, имплантация, процессы окисления и т. д.). В частности, E0 — необлученный образец). Температура образцов ускоренное формирование термодоноров наблюдалось в при облучении не превышала 50C. После обкристаллах кремния, имплантированных ионами средних лучения образцы были подвергнуты термооработке и высоких энергий [6,7]. При измерении концентрации в интервале температур T = 400-700C длительноносителей заряда в кристаллах кремния обычно бывает стью 1-10 ч. Для исследования использованы методитрудно разделить вклад термоакцепторов (ТА) и термоки вольт-фарадных характеристик, эффекта Холла и доноров, формируемых при 450C. Введение термоакИК-спектроскопии (FTIR).

цепторов в интервале температур 350-600C наиболее отчетливо проявляется в бескислородных кристаллах кремния после высоких доз облучения электронами 3. Экспериментальные результаты и нейтронами [4] и в кислородсодержащем кремнии после высокоэнергетической ионной имплантации на На рис. 1 представлена концентрация носителей заряначальных стадиях отжига при температуре 450C [8]. да в образцах кремния, облученных электронами и подСледует ожидать, что термоакцепторы вводятся в кисло- вергнутых термообработке при температуре T = 450C 792 Е.П. Неустроев, С.А. Смагулова, И.В. Антонова, Л.Н. Сафронов ных слоев неоднородность распределения электрически активных центров сохраняется, может лишь несколько изменяться конфигурация этих областей. Концентрация электрически активных акцепторов в необлученном (контрольном) образце E0 изменялась практически монотонно, свидетельствуя об увеличении донорных центров с возрастанием времени отжига (на рис. 1 показана тонкой сплошной прямой), что обусловлено введением термодоноров в кислородсодержащем кремнии.

Концентрация носителей заряда в облученных образцах и исходных кристаллах в зависимости от температуры отжига показана на рис. 2. Длительность термообработки составляла t = 5ч. Отжиг при T = 400C приводит к конверсии проводимости с p-типа на n-тип для Рис. 1. Изменение концентрации носителей заряда в зависиобразца E4 и к минимальным значениям концентрации мости от времени отжига в образцах кремния, облученных дырок для всех других образцов.

электронами при разных дозах облучения и подвергнутых На рис. 3 представлены значения концентрации нотермообработке при T = 450C. Для наглядности значения сителей заряда в кристаллах кремния, подвергнутых концентрации электронов, в отличие от концентрации дырок, термообработке при T = 400C, в зависимости от дозы показаны на отрицательной оси N.

облучения. Для образцов, отожженных в течение 1 ч, концентрация акцепторов возрастает по сравнению с исходным кристаллом при всех использованных дозах облучения. По мере увеличения времени отжига концентрация акцепторов уменьшается. Наиболее отчетливо эффект наблюдается при высоких дозах облучения (1017 см-2). При увеличении температуры отжига до 500-700C (области формирования новых термодоноров) образование электрически активных центров (ТД и ТА) не наблюдается, так как концентрация носителей заряда во всех исследованных образцах выходит на уровень исходных значений. Следует отметить, что температурный интервал существования донорных центров, вводимых при термообработках, совпадает с интервалом существования кислородсодержащих термодоноров.

Измерения методом ИК-спектроскопии показали, что концентрация оптически активного кислорода сразу поРис. 2. Зависимости концентрации носителей заряда от темсле облучения составляет (4-5) · 1017 см-3, которая пературы отжига в интервале T = 400-700C, при времени отжига t = 5 ч. Для наглядности значения концентрации электронов, в отличие от концентрации дырок, показаны на отрицательно оси N.

в зависимости от времени отжига. Данные получены методом вольт-фарадных характеристик. Для образцов E3 и E4, облученных дозами 1016 и 1017 см-2 соответственно, были обнаружены различные значения концентрации носителей заряда в разных точках поверхности, начиная с времени отжига 5-7 ч. При этом, как видно из рисунка, различные области поверхности имели как p-, так и n-тип проводимости (показаны максимальные значения концентрации носителей заряда в областях с p- и n-типами проводимости). Размеры этих областей находятся в пределах от 0.5 до 1-2см2. Если вырезать Рис. 3. Зависимости концентрации носителей заряда от дозы полоску вдоль радиуса пластины от центра к краю, то облучения при T = 400C при времени отжига t = 0-5ч. На p- и n-области по форме представляют собой череду- этом рисунке значения концентрации электронов показаны на ющиеся полосы. При послойном удалении поверхност- положительной оси N, а дырок — на отрицательной.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Формирование электрически активных центров в кремнии, облученном электронами, в интервале... к его краю) и в области с наименьшей концентрацией кислорода (край образца) происходит конверсия типа проводимости. Отжиг при 450C приводит к увеличению концентрации оптически активного кислорода практически до исходного значения. Кроме того, было выяснено что образование областей с различными типами проводимости обусловлено неоднородным распределением кислорода в кристаллах кремния: локализация областей с более высокой концентрацией кислорода и областей с n-типом проводимости совпадают. Разница между концентрациями кислорода в областях с p- и n-типами проводимости для кристалла, отожженного при 450Cв течение 10 ч, составляла менее или порядка 6 · 1016 см-3.

Значительного изменения содержания углерода в этих Рис. 4. Изменение относительной концентрации межузельнообластях не обнаружено.

го кислорода вдоль радиуса кремниевой пластины (от центра к ее краю) до и после отжига при T = 425C длительностью t = 10 ч. На вставке — типичный спектр оптического погло4. Обсуждение щения.

Из результатов, представленных на рис. 1, следует, что увеличение дозы облучения и времени отжига при T = 450C приводит в некоторых областях кристалла к доминирующей генерации термодоноров (изменение типа проводимости исходно p-типа материала на n-тип), а в других — к преобладанию термоакцепторов (увеличение концентрации дырок). Термоакцепторы явно можно наблюдать в условиях подавления генерации термодоноров, т. е. в безкислородном кремнии или в кислородсодержащем кремнии, облученном ионами высоких энергий, когда имеет место пространственное разделение дефектов разного типа [2,7]. В данном случае — изменение типа проводимости с p-типа на n-тип наблюдается при высоких дозах облучения (1017 см-2) и достаточно длительном отжиге (больше 3 ч) при температуре 400C (рис. 3). С увеличением температуры Рис. 5. Распределение электрически активных центров в кристаллах кремния, облученных электронами, вдоль радиуса отжига до 450C длительностью до 10 ч образование кремниевой пластины после отжига при T = 425C длитель- областей n-типа происходит и при меньших дозах обностью t = 10 ч. На этом рисунке значения концентрации лучения (1015 см-2, рис. 1). Электронное облучение электронов показаны на положительной оси N, а дырок — на при использованных энергиях приводит практически к отрицательной.

однородному по объему введению радиационных дефектов. Поэтому ответственными за неоднородное распределение могут быть лишь ростовые дефекты, форсущественно ниже концентрации кислорода в исход- мируемые в процессе выращивания кристаллов, либо неоднородности в распределении фоновых примесей, ном материале (7-8) · 1017 см-3. На рис. 4 показано например, кислорода. Увеличение концентрации термоизменение относительного содержания межузельного st доноров в отдельных областях может быть обусловлено кислорода NO (x)/NO вдоль радиуса пластины кремния i i st (NO (x) — концентрация кислорода в исходном кристал- увеличением количества центров зарождения, созданi ных радиационными дефектами, возможно, при участии ле до отжига, x — расстояние от края пластины). Как примесей. Если сравнить распределение концентрации видно из рисунка, после отжига при 425C концентрация кислорода еще сильнее уменьшается, чем после облу- кислорода и свободных электронов вдоль радиуса кремниевой пластины (рис. 4, 5), то следует отметить, что чения. На вставке к рис. 4 показан типичный спектр оптического поглощения исследуемых образцов. Изме- ИК-измерения дают усредненную по толщине пластины нение концентрации электрически активных центров картину распределения кислорода, а электрофизические вдоль радиуса кристалла для этого же образца показано измерения показывают распределение электрически акна рис. 5. Видно, что с уменьшением содержания кис- тивных центров в относительно узком приповерхностлорода концентрация донорных центров также умень- ном слое. Поэтому неоднородности распределения элекшается (расстояние отсчитывалось от центра образца тронов, представленные на рис. 5 (отжиг при 425C), Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 794 Е.П. Неустроев, С.А. Смагулова, И.В. Антонова, Л.Н. Сафронов не видны на рис. 4 при ИК-измерениях. Тем не менее Таким образом, с учетом того что электронное облупосле отжига при 450C неоднородность распределения чение приводит к формированию в кристаллах кремния концентрации электрически активных центров в кри- центров вакансионного типа (V O-центры), а также с сталлах уже начинает коррелировать с неравномерным учетом данных [8] наиболее вероятно наблюдаемые распределением межузельного кислорода в исследуемых экспериментальные результаты объясняются участием образцах, по-видимому, за счет усиления флуктуаций в вакансионных дефектов в процессе формирования как распределении кислорода.

термоакцепторов, так и термодоноров. Причем при маУменьшение концентрации межузельного кислорода лых временах отжига доминируют процессы генерации после облучения связано скорее всего с формированием ТА, при увеличении времени отжига начинает преоблакомплексов из вакансий и кислорода V On, в которых дать формирование ТД или же ТА трансформируются n 1 [9], причем доминирующим центром является, как в термодоноры. Следует отметить, что такая же ситуаизвестно, V O. При температуре отжига 425C имеет ция имеет место при облучении высокоэнергетичными место трансформация V O V O2 [10]. Повышение темионами [8]. Формирование центров акцепторного типа пературы отжига до 450C сопровождается отжигом наблюдается в узком температурном интервале отжига комплексов V O и V O2 и соответственно ростом кон( 450C) и при температуре 400C они не выявляются центрации межузельного кислорода.

на фоне термодоноров.

Из данных рис. 1 для дозы облучения 1014 см-2 (образец E1) наблюдается некоторое увеличение концентрации дырок (акцепторных центров) при термообработке 5. Заключение по сравнению с исходным кристаллом. С уменьшением температуры отжига до 400C (рис. 3) некоторое уве- Облучение монокристаллов кремния электронами личение концентрации дырок имеет место уже для всех (случай однородного введения радиационных дефектов доз облучения при коротких временах отжига (1ч). По в объеме материала) и последующий отжиг при 450C всей видимости, при T = 450C на фоне образования приводят к образованию областей n- и p-типа протермодоноров происходит одновременное введение и ак- водимости в объеме монокристаллического кремния.

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.