WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 8 Особенности нейтронного легирования фосфором кристаллов 30 кремния, обогащенных изотопом Si: исследования методом электронного парамагнитного резонанса © П.Г. Баранов, Б.Я. Бер, О.Н. Годисов, И.В. Ильин¶, А.Н. Ионов, А.К. Калитеевский, • М.А. Калитеевский, И.М. Лазебник, А.Ю. Сафронов, Х.-Дж. Пол, Х. Риманн+, Н.В. Абросимов+, П.С. Копьев, А.Д. Буланов, А.В. Гусев Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия НТЦ-Центротех, 198096 Санкт-Петербург, Россия Институт ядерной физики им. Б.П. Константинова Российской академии наук, 188300 Гатчина, Россия • VITCON Projectconsult Gmbh, D-07745 Jena, Germany + Leibniz Institute of Crystal Growth, D-12489 Berlin, Germany Институт химии высокочистых веществ Российской академии наук, 603905 Нижний Новгород, Россия (Получена 16 ноября 2005 г. Принята к печати 1 декабря 2005 г.) 30 Исследовано нейтронное трансмутационное легирование кристаллов кремния, обогащенных изотопом Si, методом электронного парамагнитного резонанса: наблюдались доноры фосфора и возникающие в процессе нейтронного легирования радиационные дефекты. Исследованы сигналы ЭПР неконтролируемой примеси 30 фосфора в Si до нейтронного легирования (концентрация 1015 см-3) и фосфора, введенного легированием с дозами 1 · 1019 см-2 и 1 · 1020 см-2 (концентрации P 5 · 1016 см-3 и 7 · 1017 см-3 соответственно).

30 Благодаря резкому сужению линий ЭПР фосфора в Si интенсивность сигналов существенно увеличилась, что позволило контролировать фосфор в образцах с малым объемом (до 10-6 мм-3). Разработаны методы контроля концентрации доноров P по сверхтонкой структуре в спектрах ЭПР изолированных атомов P, обменно-связанных пар, троек, четверок и более крупных кластеров доноров P. В области высоких концентраций P, когда сверхтонкая структура исчезает, концентрация доноров P оценивалась по ширине обменно-суженной линии ЭПР.

PACS: 81.40.Wx, 61.80.Hg, 61.82.Fk, 76.30.Da 28 29 В процессе легирования полупроводниковых материа- бильных изотопа Si (92.3%), Si (4.7%) и Si лов возникает проблема получения однородного распре- (3.1%) [8]. Легирование кремния донорами фосфора деления донорных или акцепторных примесей, а также производилось в процессе реакции захвата медленных проблема контролируемого введения этих примесей в нейтронов изотопом кремния Si (сечение захвата широком диапазоне концентраций. Одним из перспек- (30Si) =0.11 [8]) с последующей трансформацией в тивных методов получения однородного распределения фосфор:

примеси в кристалле является нейтронное трансмута30 31 Si + n Si (- распад, T1/2 = 2.62 ч) P, ционное легирование (НТЛ) [1–6]. Ядра стабильных изотопов могут поглощать медленные (тепловые) нейгде T1/2 — период полураспада. Малое содержание троны с определенным сечением захвата. После такого Si ограничивает практический уровень легирования до поглощения в результате ядерных реакций образуются нескольких единиц 1015 см-3. Естественно, обогащение стабильные изотопы новых элементов. Концентрация выделенным изотопом Si значительно увеличит уропримеси N, образующейся в процессе НТЛ, пропорцивень легирования.

ональна дозе тепловых нейтронов (n · см-2), сечению n В настоящей работе рассмотрено нейтронное трансзахвата тепловых нейтронов для данного i-го изотомутационное легирование полупроводниковых кристалпа i (10-24 · см-2) и содержанию этого изотопа Ci:

лов кремния, выращенных с повышенным содержанием изотопа Si, с использованием возможностей электронN = · i · Ci.

n ного парамагнитного резонанса (ЭПР) для контроля Наиболее важным техническим применением НТЛ за этими процессами. ЭПР является одним из наибобыло приготовление чрезвычайно однородных пленок лее информативных методов регистрации и нахождекремния n-типа для производства приборов высокой ния электронной структуры примесных и собственных мощности [7]. Природный кремний содержит три стадефектов в полупроводниках, включая донорные при¶ E-mail: Ivan.ilyin@mail.ioffe.ru меси фосфора и мышьяка в кремнии [9–12]. Таким Особенности нейтронного легирования фосфором кристаллов кремния, обогащенных изотопом Si... образом, ЭПР позволяет наблюдать и контролировать 1. Методика эксперимента сигналы примесных атомов, возникающих в материалах В данной работе методом ЭПР исследовалась серия в процессе нейтронного легирования. Не менее важным достоинством метода ЭПР является возможность кон- монокристаллических образцов кремния.

1) Номинально не легированный кристалл Si [14], троля за радиационными дефектами [9], возникающими выращенный методом бестигельной зонной плавки, в в процессе НТЛ, поскольку наряду с полезными для НТЛ тепловыми нейтронами в потоке всегда присутствуют котором, как было показано в работе [15], концентрация быстрые нейтроны, вызывающие различные поврежде- изотопа Si была примерно 0.25%. При выращивании ния в решетке кристалла. При этом крайне важно кристалла использовался исходный материал следую28 следить за дефектами и примесными центрами, а также щего изотопического состава: Si — 0.499%, Si — их трансформацией в процессе отжига полупроводни- 0.496%, Si — 99.005%.

ковых материалов с целью оптимизации процесса леги- 2) Кристаллы кремния, подвергнутые облучению медрования этих материалов. Возникающие под действием ленными нейтронами при температуре облучения, близнейтронного облучения радиационные дефекты смеща- кой к комнатной, (поток нейтронов 1 · 1019 см-ют уровень Ферми в полупроводниковых материалах в и 1 · 1020 см-2, соотношение тепловых и быстрых середину запрещенной зоны и в результате спектры ЭПР нейтронов в общем потоке примерно равнялось трем) 30 доноров не могут наблюдаться. В общем концентрация для трансформации изотопа Si в доноры фосфора P.

и тип дефектов зависят от условий облучения, таких Концентрация неконтролируемой электрически активкак величина потока нейтронов, соотношение потоков ной примеси перед НТЛ составляла менее 1 · 1015 см-быстрых и медленных нейтронов, а также температуры и была намного меньше, чем концентрация доноров облучения. Кроме того, распределение быстрых нейтропосле НТЛ. Затем образцы были отожжены в кварцевых нов по энергиям также существенно при образовании ампулах в течение 30 мин при температуре 700C для дефектов. ЭПР может быть чрезвычайно полезен при удаления радиационных дефектов, которые создаются выборе оптимального режима нейтронного легирования быстрыми нейтронами. Концентрация доноров фосфос точки зрения минимального выхода радиационных ра, оцененная по электрическим измерениям (эффект дефектов, характеризующихся высокой температурной Холла), для образца с дозой облучения 1 · 1019 см-стабильностью и, следовательно, требующих высоких составляла ND 5.5 · 1016 см-3, для образца с большей температур для их отжига.

дозой облучения электрические измерения не проводиМетодом ЭПР исследуются неионизованные мелкие лись ввиду малого размера образца. ЭПР исследования доноры: при достаточно низких температурах элекпроводились до отжига и после отжига образцов Si.

трон локализован на мелком доноре, и в этом случае 3) Для сравнения были проведены исследования неймелкий донор может быть исследован методом ЭПР.

тронного легирования кристаллов кремния с природным Естественно, температура регистрации мелких доноров содержанием изотопов. Исходные кристаллы кремния зависит от величины их энергии ионизации. Так, в были выращены методом бестигельной зонной плавки кристалле кремния эта температура должна быть ниже с содержанием кислорода менее 1016 см-3. До нейтрон40 K. Ранее мы уже исследовали процесс нейтронного ного легирования кристаллы были p-типа с содержатрансмутационного легирования донорной примесью As нием бора N(B) 1013 см-3, удельное сопротивление кристалла германия, обогащенного изотопом Ge [13].

= 1 кОм. Доза облучения медленными нейтронами В этой работе на основании изучения относительных составляла 1 · 1019 см-2.

концентраций изолированных доноров As и обменноКристаллы кремния вырезались или выкалывались в связанных комплексов в виде пар и троек доноров при виде пластинок с известными ориентациями и могли известной концентрации доноров было показано, что вращаться в резонаторе спектрометра в определенных доноры распределены равномерно.

плоскостях.

Крайне важно контролировать концентрацию доноЭксперименты проводились на серийном спектрометров P методом ЭПР, особенно в тех случаях, когда ре ЭПР Jeol на частоте 9.3 ГГц (X-диапазон) с использоэлектрические методы мало применимы ввиду малых ванием проточного гелиевого криостата, изготовленного размеров образцов или порошковых материалов. Трав лаборатории и позволяющего изменять температуру в диционный метод определения концентрации парамагобласти 4-300 K. Все спектры ЭПР, представленные на нитной примеси с использованием реперного сигнала рисунках, зарегистрированы без накопления в результаприменим только для оценки малых концентраций P, те одного сканирования.

когда сигнал ЭПР изолированных доноров P имеет наиболее простую форму в виде двух сверхтонких компонент. В случае, когда сигнал ЭПР усложняется из-за 2. Экспериментальные результаты эффектов обменного взаимодействия между донорами, представляется весьма перспективно разработать мето- В номинально чистых кристаллах Si до НТЛ нады определения концентрации доноров P по изменению блюдались сравнительно слабые сигналы ЭПР мелких структуры спектра ЭПР с концентрацией, что и сделано доноров P и примерно в 10 раз менее интенсивные в настоящей работе. сигналы мелких доноров As. Наблюдение этих сигналов 3 Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 932 П.Г. Баранов, Б.Я. Бер, О.Н. Годисов, И.В. Ильин, А.Н. Ионов, А.К. Калитеевский, М.А. Калитеевский...

ЭПР свидетельствует о том, что исходные образцы — содержание 100%). Для мышьяка спектр ЭПР состоn-типа проводимости, а фосфор и мышьяк вошли в ит из 4 линий равной интенсивности с расстоянием образцы в виде неконтролируемых примесей. между соседними линиями 7.08 мТл, обусловленных СТ На рис. 1, a показан спектр ЭПР мелких доноров P взаимодействием с одним ядром As (I = 3/2, содери As, зарегистрированный на частоте 9.3 ГГц в кристалле жание 100%). Ориентация кристалла не фиксирована, Si до облучения нейтронами при температуре 4.2 K поскольку спектр ЭПР мелких доноров изотропный с при межзонном световом возбуждении. Для фосфора примерно равными g-факторами (в литературе [10,11] спектр состоит из двух линий одинаковой интенсив- приводятся 1.99850 и 1.99837 для P и As соответственности, расстояние между которыми A, равное 4.2 мТл, но). В средней части спектра видны линии поверхностхарактеризует величину сверхтонкого (СТ) взаимодей- ных состояний в кремнии, которые в работе не рассматствия неспаренного электрона мелкого донора с ядер- риваются. Звездочками обозначены реперные сигналы ным магнитным моментом одного атома P (I = 1/2, марганца, имеющие обратную фазу. На рис. 1, b представлены спектры ЭПР доноров фосфора, зарегистрированные в кристалле Si до облучения нейтронами и природном кремнии. На вставке в увеличенном масштабе приведены для сравнения высокополевые компоненты спектров ЭПР мелких доноров P, зарегистрированные в Si (верхняя линия), и мелких доноров фосфора в природном кремнии.

Спектры ЭПР мелких доноров фосфора и мышьяка в кристалле Si могли быть зарегистрированы только при оптической подсветке, поскольку без подсветки сигналы ЭПР насыщены из-за очень длинных времен спин-решеточной релаксации T1 вследствие пониженного содержания изотопа Si с ядерным магнитным моментом. Оптическая подсветка приводит к резкому уменьшению T1 из-за взаимодействия с носителями и к возможности наблюдения ЭПР [16].

Как видно из рис. 1, b, изменение содержания изотопа с ядерным магнитным моментом Si приводит к изменению ширины линии ЭПР мелких доноров, поскольку эта ширина определяется СТ взаимодействием неспаренного электрона с окружающими ядрами Si (иногда называемого суперсверхтонким (ССТ) взаимодействием).

В соответствии с теорией эффективной массы (ЭМ) [17] волновая функция мелкого донора распространяется на большое количество координационных сфер, и в ССТ взаимодействие вовлечено много ядер изотопов Si. Для мелких доноров в кремнии ширина линии ЭПР определяется неразрешенной ССТ структурой, т. е. линия неоднородно уширена.

Формула для ширины на полувысоте неразрешенной линии ЭПР B в случае, когда эта ширина определяется ССТ взаимодействиями, имеет вид [10] R 2 a2(29Si)I(I + 1) i B = f (29Si) ni(Si), (1) gµB i Рис. 1. a — спектры ЭПР мелких доноров P и As в кристалле где f — относительное содержание изотопа Si (для Si до облучения нейтронами при межзонном световом возбуприродного кремния f (29Si) =0.0467), ni — число экждении. Звездочками обозначены реперные сигналы марганца, вивалентных мест для атомов Si в i-й координационимеющие обратную фазу. Концентрация Si оценена по шиной сфере, ai — константа ССТ взаимодействия для рине линий ЭПР, A — константа СТ взаимодействия. b — 30 атомов Si, расположенных в эквивалентных местах в сравнение спектров ЭПР мелких доноров P в кристалле Si i-й координационной сфере, g — электронный g-факи природном кремнии. На вставке в увеличенном масштабе тор, µB — магнетон Бора, I — ядерный момент для приведены высокополевые компоненты спектров ЭПР мелких изотопа Si (I = 1/2). Изотропное СТ взаимодействие доноров P, зарегистрированные в Si (верхняя линия) и в природном кремнии. пропорционально плотности волновой функции на ядре Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Особенности нейтронного легирования фосфором кристаллов кремния, обогащенных изотопом Si... т. е. такое сужение соответствует содержанию изотопа Si, равному 0.25%, т. е. примерно в 2 раза меньшему, чем приведено выше согласно паспорту материала [14].

Аналогичный эффект сужения линии ЭПР наблюдался для доноров As в кремнии Si.

На рис. 2 показан спектр ЭПР доноров P в кристалле Si, подвергнутом облучению медленными нейтронами с дозой 1 · 1019 см-2 и отожженном при 700C в течение 30 мин, зарегистрированный в X-диапазоне при температуре 4 K с амплитудой модуляции 0.04 мТл (меньше ширины линии). Нижний спектр зарегистрирован с большим усилением и амплитудой модуляции 0.1 мТл, чтобы выделить центральную часть. Как видно на рис. 2, наряду с двумя линиями, принадлежащими изолированным донорам P в спектре ЭПР, наблюдается ряд дополнительных линий меньшей интенсивности, которые расположены в промежутке между основными двумя линиями. Эти сигналы ЭПР принадлежат парам, тройкам и четверкам доноров фосфора, между которыми имеется сравнительно сильное изотропное обменное взаимодействие, вызванное перекрытием волновых функций соседних донорных атомов. Ранее такой эффект наблюдался в ряде работ для мелких доноров P в кремнии [18–22]. Теоретическое объяснение наблюдения обменно-связанных пар в спектрах ЭПР было представлено в работе [20].

Pages:     || 2 | 3 |



© 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.