WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 9 Исследование внутреннего трения и эффективного модуля сдвига монокристаллического кремния на начальных стадиях преципитации кислорода ¶ © В.В. Моцкин, А.В. Олейнич-Лысюк, Н.Д. Раранский, И.М. Фодчук Черновицкий национальный университет, 58012 Черновцы, Украина (Получена 28 января 2002 г. Принята к печати 13 февраля 2002 г.) Исследовано изменение температурных спектров внутреннего трения и эффективного модуля сдвига в монокристаллическом кремнии в интервале 20–400C в зависимости от времени отжига при 400C. Показано, что в процессе отжига в спектрах поглощения появляются и увеличиваются, по мере выдержки, устойчивые максимумы, обусловленные миграцией точечных дефектов и их комплексов. Высказано предположение о возможной природе обнаруженных эффектов.

Проблеме поведения крислорода в кристаллах крем- ли 3 град/мин. Относительные погрешности изменения посвящено немало работ [1,2]. В них установлено, ний величины ВТ, попорционального Geff, и квадрата 2 2 в частости, что отжиг при температурах 350-400C в частоты ( f ) не превышали 1% для Q-1 и 0.1%для f.

течение времени до 100 ч приводит к выделению кислоНа рис. 1 представлены температурные зависимо2 рода и появлению кислородосодержащих термодоноров сти Q-1 и f для образцов в исходном состоянии.

первого типа (ТД-1) девяти различных видов, число и Как видим, спектр поглощения упругой энергии в исконцентрация которых зависит от продолжительности следуемом интервале температур представлен серией термообработки [3]. Тем не менее природа последних до незначительных максимумов в районе 125, 180, 210, 240, настоящего времени окончательно не установлена. Не 275, 300 и 390C высотой (5-10) · 10-4 относительсуществует единого мнения о механизме формирования ных единиц трения (см. рис. 1, кривая 1 и таблицу).

этих образований, о кинетике этого процесса, о влиянии Выдержка при 400C в течение получаса приводит к собственных дефектов кремния на дефекты ТД-1 и незначительному росту эффектов в районе 150–240C многое другое [2].

и возникновению на кривых f (T ) температурного гиПоэтому в настоящей работе была предпринята постерезиса, указывающего на структурную перестройку пытка исследовать начальные стадии выделения кисломатериала в процессе отжига (см. рис. 2, кривые 3, 4).

рода в Si методом низкочастотного внутренного треСпектры поглощения упругой энергии были разделены ния (ВТ), обладающего, как известно [4], высокой по известной методике [6], энергии активации релаксациструктурной чувствительностью, позволяющей изучать онных процессов рассчитаны по формуле Верта–Маркса:

kTmax кинетику выделений на самых ранних стадиях и поH = RTmax ln, где Tmax — температура максимума, max лучать иногда уникальную информацию о движении и max = 2 f, R — универсальая газовая постоянная, max взаимодействии дефектов.

k — постоянная Больцмана.

В качестве объекта исследований были выбраны Дополнительный отжиг в течение получаса при 400C монокристаллы Si, выращенные методом Чохральскоприводит к более существенным изменениям в спекго в направлении 111, из которых были выретре Q-1 при нагреве (см. рис. 2, кривая 1) и некоторому заны образцы в форме параллелепипедов размераувеличению максимумов в районе 200-300Cпри охлами 1.4 1.4 (60-80) мм3, перпендикулярно направлеждении. При этом температурный гистерезис на темпению роста. Для снятия поврежденного при нарезании ратурной зависимости f значительно усиливается.

слоя приготовленные образцы были подвергнуты хиВыдержка образцов при 400C при времени более 2 ч мическому травлению на глубину от 40 до 60 мкм и формирует в спектрах поглощения хорошо воспроизполированию.

водимые устойчивые максимумы в спектрах Q-1 выТемпературные спектры поглощения упругой энергии ше 200C, которые проявляются как при нагреве, так измеряли на низкочастотном полуавтоматическом релаки при охлаждении (рис. 3, 4). Следует заметить, что сометре типа „обратный крутильный маятник“ на частоинтенсивность максимума в районе 280C при нагретах f 1 Гц по известной методике [5] в интервале темве на порядок выше, чем при охлаждении (76 · 10-ператур 20–400C и деформации =(1.2-2.3) · 10-5.

и 6 · 10-4 отн. ед. Q-1 соответственно). Пик при 380C Параллельно измерениям величины ВТ (Q-1) фиксироведет себя обратным образом: высота максимума при валось изменение с температурой эффективного модуля нагревании (13·10-4 отн. ед. Q-1) в 5.5 раза меньше, чем сдвига (Geff). Средние скорости изменения температуры при охлаждении (72 · 10-4). При этом температурный как при нагревании, так и при охлаждении составлягистерезис на температурной зависимости f становится ¶ E-mail: Ptkachuk@chnu.cv.ua „двухлепестковым“ (см., например, рис. 3, кривые 3, 4).

1036 В.В. Моцкин, А.В. Олейнич-Лысюк, Н.Д. Раранский, И.М. Фодчук Рис. 1. Температурные зависимости величины внутреннего трения Q-1 (1, 2) и f (3, 4) для образца в исходном состоянии.

Кривые 1, 3 измерены при нагреве; 2, 4 — при охлаждении.

Рис. 2. То же, что на рис. 1, после отжига образца в течение 0.5 ч при температуре Tann = 400C.

Детальный анализ изменения температурных спек- некоторые предположения о возможной природе обтров поглощения упругой энергии при нагревании и наруженных максимумов. Действительно, зависимость охлаждении в зависимости от времени отжига (tann) высоты пиков ВТ от tann напоминает зависимость конпри 400C показывает, что средняя интенсивность пиков центрации термодоноров первых пяти видов от времени растет с величиной tann, причем по-разному. Так, пик в отжига при 400C [7]. Напомним, что согласно [7], отжиг районе 280C при нагреве образца увеличивается прак- при 400C в течение первых 2-х часов приводит к тически в 6 раз, а пик при 330C — только вдвое. Пик формированию первых 4-х видов ТД-1 (A, B, C, D), же при 210C почти не изменяет свою высоту (рис. 5). а (ТД-1)E появляется после отжига в течение 5 ч. ОтСовместный анализ полученных нами результатов с носительная концентрация доноров каждого вида измеданными, представленными в [7], позволяет высказать няется с ростом времени tann по-разному: концентрация Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Исследование внутреннего трения и эффективного модуля сдвига монокристаллического... Рис. 3. То же, что на рис. 1, после отжига образца в течение 4 ч при 400C.

Рис. 4. То же, что на рис. 1, после отжига образца в течение 5 ч при 400C.

(ТД-1)A практически не изменяется, (ТД-1)B — слабо дефектов ТД-1 разного вида (при этом под миграцирастет; концентрации (ТД-1)C и (ТД-1)D изменяются в ей подразумевается любой элементарный диффузионый несколько раз. акт, например поворот ассиметричного термодонора в Анализ реласационных параметров обнаруженных на- поле приложенных внешних напряжений). Тогда высота ми максимумов (энергии активации H и частотного фак- этих максимумов будет определяться количеством обтора m) (см. таблицу) свидетельствует о том, что прак- разующихся доноров. Следовательно, звисимость Q-max от времени отжига tann будет аналогичной зависимости тически все обнаруженные пики обусловлены миграцией точечных дефектов или их комплексов [6], поскольку концентрации доноров от tann. Поэтому мы предполозначения m лежат в пределах (0.64-0.87)· 1014 c-1. Это жили, что максимум в районе 210C связан с миграпозволяет предположить, что релаксационные максиму- цией (ТД-1)A в структуре Si, пик в районе 280C —с мы в высокотемпературной части спектров ВТ связаны с миграцией (ТД-1)C, 380C—(ТД-1)D, 330C—(ТД-1)B.

появлением и миграцией в решетке стареющего кремния Своеобразным подтверждением предположения о том, Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 1038 В.В. Моцкин, А.В. Олейнич-Лысюк, Н.Д. Раранский, И.М. Фодчук Параметры релаксационных максимумов природы ПСЕ, проведенное, например, в [8], показало, что концентрация ПСЕ прямо пропорциональна Нагрев Охлаждение концентрации растворенного кислорода. Это позволило tann, Tmax, H, m, tann, Tmax, H, m, авторам [8] сделать вывод о том, что ПСЕ содержит ч C эВ 1014с-1 ч C эВ 1014с-1 только один атом кислорода и не является квазимолекулой O2. По-видимому, ПСЕ — это комплекс ти0.5 125 1.00 - 0.5 120 0.99 па кислород–вакансия (O–V ), либо межузельный атом 180 1.15 - 150 1.07 210 1.23 0.64 180 1.15 - кремния –кислород (Si–O). Для проверки возможного 240 1.31 0.68 215 1.24 0.участия собственных дефектов (вакансий и межузель275 1.40 0.72 240 1.31 0.ных атомов) в образовании термодоноров авторы [8] 300 1.46 0.75 270 1.39 0.исследовали кремний, облученный быстрыми электро390 1.70 0.87 310 1.49 0.нами (E = 4 МэВ, = 2.4 · 1016 эл/см2) при 427C.

e 380 1.68 0.После такого облучения термодоноров образовывалось меньше, на основании чего авторы сделали вывод о том, 1 110 0.97 - 1 120 0.99 что ПСЕ — это не комплексы V –O или Si–O, а меж160 1.10 - 160 1.10 узельный метастабильный кислород Oj, не связанный с 210 1.22 0.63 205 1.21 0.решеткой, который обладает повышенной диффузионной 280 1.41 0.72 240 1.31 0.подвижностью с энергией активации 1.8 эВ. Относи330 1.54 0.79 280 1.41 0.390 1.68 0.87 350 1.60 0.82 тельно возможной природы ПСЕ отметим только, что предварительные исследования, проведенные нами на 2 140 1.04 - 2 120 0.99 кремнии, облученном высокоэнергетическими электро220 1.25 0.64 160 1.10 нами ( 18 МэВ, разными дозами), показали, что интен290 1.44 0.73 200 1.21 0.сивность образования ТД-1 в облученном монокристал370 1.65 0.85 250 1.33 0.лическом кремнии, выращенном мо методу Чохральско305 1.48 0.го, неоднозначно зависит от дозы облучения. Малые 380 1.68 0.дозы могут стимулировать этот процесс, а большие, наоборот, подавлять. По-видимому, вопрос о природе 3 120 0.99 - 3 110 0.97 ПСЕ все еще остается открытым. Поэтому дальнейший 170 1.12 - 150 1.07 анализ высокотемператуной части спектра поглощения 215 1.24 0.64 180 1.15 280 1.41 0.72 215 1.24 0.64 упругой энергии в стареющем кремнии мы проводили 330 1.55 0.79 250 1.33 0.основываясь только на данных экспериментов по ВТ:

380 1.68 0.86 290 1.44 0.характеристики максимума при 240-250C (энергия ак340 1.57 0.тивации H = 1.3 эВ, время релаксации = 1.45·10-14 с) 380 1.68 0.свидетельствуют в пользу предположения о том, что он связан с миграцией дефектов точечного типа (одиночных 4 140 1.04 - 4 135 1.03 или их комплексов) на расстояния порядка межатомных.

210 1.23 0.63 170 1.12 Причем энергия активации этой миграции указывает на 250 1.33 0.69 200 1.28 0.комплексы типа V –O [9,10].

285 1.43 0.73 240 1.31 0.Таким образом, сложный процес формирования тер325 1.53 0.79 270 1.39 0.370 1.65 0.86 305 1.48 0.76 модоноров ТД-1 в Si в процессе старения при 400C 380 1.68 0.проявляется в спектре поглощения упругой энергии в виде отдельных максимумов, обусловленных миграчто миграция каждого вида термдоноров вызывает свой максимум, могут служить результаты, полученные нами в последующих экспериментах, — отжиг при 400C в течение 5 ч приводит к появлению в спектре ВТ дополнительного максимума в районе 360C (при охлаждении), который может быть связан с донорами (ТД-1)E (рис. 4).

Для выяснения природы максимума в районе 240-250C будем считать, вслед за авторами [2], что формирование каждого последующего вида ТД-1 происходит путем присоединения одного атома кислорода Рис. 5. Кинетические зависимости Q-1 при различных темmax к комплексу SiOx, который поставляется при помощи пературах. T, C: 1 — 210, 2 — 280, 3 — 330, 4 — 380;

подвижных структурных единиц (ПСЕ). Исследование tann —время отжига.

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Исследование внутреннего трения и эффективного модуля сдвига монокристаллического... цией термодоноров 1-го типа пяти различных видов (ТД-1)A, (ТД-1)B, (ТД-1)C, (ТД-1)D, (ТД-1)E и подвижных структурных единиц (ПСЕ) в решетке кремния.

Однако вопросы о механизме поглощения для каждого из указанных максимумов и о природе ТД-1 и ПСЕ требуют дальнейших исследований.

Список литературы [1] К. Рейвик. Дефекты и примеси в полупроводниковом кремнии (М., Мир, 1984).

[2] В.М. Бабич, Н.И. Блецкан, Е.Ф. Венгер. Кислород в монокристаллах кремния (Кив Iнтерпрес ЛТД, 1997).

[3] U. Goselle, T.Y. Appl. Phys. A, 28 (1), 79 (1982).

[4] Метод внутреннего трения в металловедческих исследованиях. Справочник (под ред. М.С. Блантера, Ю.В. Пигузова). (М., Металлургия, 1991).

[5] И.А. Варус, Б.Г. Стронгин. В кн.: Демпфирующие металлические материалы (Киров, КПИ, 1988) с. 96.

[6] В.С. Постников. Внутреннее трение в металлах (М., Металлургия, 1974).

[7] B.Pajot, H.Compain, J. Lerouille, B. Clerjaud. Physica B+C, 117–118, 110 (1983).

[8] Л.И. Мурин, В.П. Маркевич. ФТП, 22 (7), 1324 (1988).

[9] И.Д. Козоненко, А.К. Семенюк, В.И. Хиврич. Радиационные эффекты в кремнии (Киев, Наук. думка, 1974).

[10] Л.Н. Александров, М.И. Зотов, Б.П. Сурин. В сб.: Физика и химия конденсированных сред (Воронеж, ВПИ, 1981) с. 14.

Редактор Т.А. Полянская Investigation of internal friction and effective shear modulus of a silicon single crystal on during early stages of oxygen precipitation V.V. Motskin, A.V. Oleynich-Lisyuck, N.D. Raranskiy, I.M. Fodchuk Chernovtsy National University, 58012 Chernovtsy, Ukraine Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып.




© 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.