WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 11 Бистабильность и электрическая активность комплекса вакансия–два атома кислорода в кремнии © Л.И. Мурин¶, В.П. Маркевич, И.Ф. Медведева, L. Dobaczewski Объединенный институт физики твердого тела и полупроводников Национальной академии наук Белоруссии, 220072 Минск, Белоруссия Institute of Physics, Polish Academy of Sciences, 02-668 Warsaw, Poland (Получена 14 марта 2006 г. Принята к печати 24 марта 2006 г.) Методами инфракрасного поглощения, эффекта Холла и нестационарной емкостной спектроскопии исследованы комплексы вакансия–два атома кислорода (V O2) в облученных кристаллах Si n-типа с различным уровнем легирования. Подтверждена обнаруженная ранее бистабильность V O2 и приведены доказательства электрической активности дефекта в метастабильной конфигурации V O. Установлено, что в 2 данной конфигурации дефект обладает акцепторным уровнем, расположенным у EC - 0.06 эВ. Показано, что полосы поглощения у 967 и 1023 см-1 обусловлены отрицательно заряженным состоянием V O, а полосы 2 у 928 и 1004 см-1 соответствуют нейтральному зарядовому состоянию дефекта.

PACS: 61.80.Fe, 61.82.Fk, 71.55.Cc, 78.30.Am 1. Введение лекс V O2 весьма эффективно образуется и в процессе так называемого горячего облучения [12,15]. Дефект Хорошо известно [1–4], что кислород в кремнии стабилен до температур 450-500C. При дальнейшем является одной из наиболее эффективных ловушек ваповышении температуры, в результате взаимодействия кансий. Комплекс вакансия–кислород (V O), называемый V O2 с Oi и O2i происходит его трансформация в также A-центром, был первым радиационным дефеккомплексы V O3 и V O4 [12,14,16,17], на основе которых том, идентифицированным в облученных кристаллах затем формируются комплексы V O5 и V O6 [17,18]. ПредSi [5,6]. К настоящему времени его свойства достаполагается [17,18], что именно эти центры ответственны точно хорошо изучены. Дефект вносит в запрещенную за ускоренную преципитацию кислорода в облученных зону акцепторный уровень у EC-0.17 эВ [1,7] и может кристаллах Cz-Si. С другой стороны, теоретические наблюдаться в спектрах электронного парамагнитного расчеты показывают [19,20], что комплекс V O2 может резонанса (ЭПР) и инфракрасного (ИК) поглощения как играть важную роль в процессах формирования центров в нейтральном (спектр Si-S1 [8], полоса поглощения преципитации кислорода и в необлученных кристаллах у 836 см-1 [2,9]), так и в отрицательно заряженном Cz-Si. Согласно модели, развитой в работах [19,20], в (спектр Si-B1 [1], полоса поглощения у 885 см-1 [9,10]) кристаллах кремния с высоким содержанием кислоросостоянии. Отжигается A-центр в области температур да практически все равновесные (тепловые) вакансии, 300-400C. При этом одновременно могут иметь место вплоть до температур 1000-1100C, должны придва процесса, диссоциация комплекса и его миграция сутствовать в виде комплексов V O и V O2, поскольку как целого на стоки [11]. В кристаллах с высоким совремя жизни вакансий в составе таких комплексов держанием кислорода такими стоками преимущественно существенно превышает их время жизни в свободном являются межузельные атомы кислорода (Oi) и в ресостоянии. Причем предполагается, что превалирующим зультате взаимодействия V Oс Oi формируется комплекс центром должен быть комплекс V O2. В связи с этим вакансия–два атома кислорода (V O2). При диссоциазначительно возрастает интерес к данным о структуре ции A-центра происходит преимущественно повторный данного дефекта и его электронным свойствам.

(многократный) захват вакансий атомами Oi и (или) их взаимодействие с другими дефектами [12,13], в том Согласно структурной модели V O2, впервые предлочисле с димерами кислорода (O2i). В последнем случае женной авторами [14] еще в 1964 году и подтверждентакже возможно формирование комплекса вакансия–два ной современными теоретическими расчетами [3,4], в атома кислорода согласно реакции V + O2i V O2.

данном комплексе два атома кислорода насыщают все В результате многочисленных исследований, провечетыре оборванные связи вакансии. При этом атомы кисденных к настоящему времени, установлено, что, дейлорода занимают эквивалентные положения и каждый ствительно, комплекс вакансия–два атома кислорода из них связан с двумя атомами кремния. Длительное является основным радиационным дефектом, образуювремя считалось, что данный дефект не проявляет элекщимся при отжиге комплекса V O в кристаллах кремтрической активности. Его присутствие в облученных ния, выращенных методом Чохральского (Cz-Si) и обкристаллах обнаруживалось по полосе ИК поглощения лученных быстрыми электронами [11,12,14–16]. Компу 895 см-1, обусловленной валентными колебаниями ¶ E-mail: murin@ifttp.bas-net.by атомов кислорода [14].

Бистабильность и электрическая активность комплекса вакансия–два атома кислорода в кремнии 300-320C в течение 20-30 ч. В результате такой обработки значительная часть A-центров трансформировалась в комплексы вакансия–два атома кислорода.

Для увеличения заселенности состояния V O образцы подвергались кратковременному (3-5мин) отжигу при 480C, не приводившему к заметному изменению общей концентрации дефекта. Для обратного перевода дефектов из метастабильного состояния V O в основное образцы отжигались в течение длительного времени (до 50 ч) при 250C. Согласно [21], характеристическое время установления равновесного распределения между двумя состояниями комплекса вакансия–два атома кислорода составляет 8ч и 0.1 с при 250 и 480C соответственно.

Рис. 1. Координатно-конфигурационная диаграмма комплекса Спектры ИК поглощения измерялись на фурьевакансия–два атома кислорода в кремнии.

спектрометре Bruker IFS 113v. Спектральное разрешение составляло 0.5-1.0см-1, образцы измерялись при комнатной температуре и при 20 K.

Только совсем недавно [21] было обнаружено, что Для электрических измерений кристаллы n-Cz-Si обв действительности комплекс V O2 является бистабильлучались электронами с энергией 4 МэВ и -квантами ным и существует другая, метастабильная, конфигурация Co при комнатной температуре, затем последоваэтого центра — V O, в которой один атом кислорода тельно проходили термообработку при 320 (30 ч), находится в вакансии, а второй атом занимает меж(3-5мин) и 250C (до 50 ч). Барьеры Шоттки изузельное положение на центре ближайшей Si–Si-связи.

готавливались термическим напылением Au. Ловушки Полная энергия дефекта для такой конфигурации только электронов исследовались с помощью метода релаксацина 0.25 эВ превышает энергию основного состояния онной спектроскопии глубоких уровней (DLTS). Измерекомплекса V O2 (рис. 1) и при высоких температурах ния эффекта Холла проводились в интервале температур заметная часть комплексов может находиться в состо77-400 K по стандартной методике и использовались янии V O. В частности, при повышении температуры для определения положения энергетического уровня от 250 до 480C равновесное заполнение метастадефекта.

бильного состояния возрастает от 5 до 20% [21].

Наличие достаточно высокого барьера ( 2эВ) меж3. Экспериментальные результаты ду состояниями V O и V O2 позволяет при быстром и обсуждение охлаждении от высоких температур к комнатной заморозить неравновесное заполнение состояния V O и Комплекс V O можно рассматривать как A-центр исследовать свойства дефекта в данной конфигурации. (комплекс V O), находящийся вблизи межузельного атоБыло установлено [21], что метастабильному комплекма кислорода. Можно ожидать, что в этой конфигусу V O принадлежат колебательные полосы у 928.рации дефект аналогично A-центру будет проявлять и 1003.7 см-1, и были найдены некоторые указания электрическую активность. A-центр, как уже отмечалось на его электрическую активность. В настоящей работе выше, может наблюдаться в спектрах ИК поглощения в приведены результаты более детальных исследований двух зарядовых состояниях: нейтральном и отрицателькомплекса V O2 в кристаллах Si с различным уровнем лено заряженном. При низких температурах полоса для гирования с использованием оптических (спектроскопия нейтрального состояния расположена у 836 см-1, для локальных колебательных мод) и электрических (эффект отрицательного зарядового состояния она смещается Холла, емкостная спектроскопия) измерений. Частично к 885 см-1 [9,10]. Исследования образцов Si n-типа, эти результаты докладывались на 11-й Международной облученных относительно небольшими дозами быстрых конференции по геттерированию и дефектной инженеэлектронов, показали, что в таких кристаллах наблюрии в полупроводниках (GADEST-2005) [22].

дается и сдвиг колебательных полос, обусловленных комплексом V O.

2. Методика эксперимента На рис. 2 показаны низкотемпературные спектры поглощения для образца n-Cz-Si ( 1Ом· см), облученИсследовались кристаллы Cz-Si n-типа с удель- ного электронами (спектр 1) и отожженного затем поным сопротивлением 1-60 Ом · см. Образцы для оп- следовательно при 300, 480 и 250C (спектры 2, 3 и 4 сотических измерений облучались при комнатной тем- ответственно). После облучения основными дефектами пературе быстрыми электронами (E = 10 МэВ, F = являются A-центры, комплексы межузельный углерод– = 5 · 1016-4 · 1018 см-2) и отжигались затем при межузельный кислород (CiOi) и комплексы собственных Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 1318 Л.И. Мурин, В.П. Маркевич, И.Ф. Медведева, L. Dobaczewski Наряду с образцом, спектры которого показаны на рис. 2, исследовался также сильно компенсированный материал (облучение дозой 4 · 1018 см-2), проводимость которого после всех отжигов оставалась близкой к собственной, т. е. уровень Ферми был локализован вблизи середины запрещенной зоны. Спектры измерялись как при 20 K, так и при комнатной температуре. Из представленных низкотемпературных спектров отчетливо видно (см. рис. 3, спектры 1, 2), что в образце Si n-типа, в отличие от сильно облученного кристалла, колебательные полосы V O у 928.4 и 1003.7 см-1 отсутствуют. В то же время в нем наблюдаются новые полосы, расположенные у 966.8 и 1023.3 см-1. По аналогии с полосами A-центра можно предполагать, что эти новые полосы связаны с отрицательно заряженным состоянием Рис. 2. Фрагменты спектров поглощения, измеренных комплекса V O.

при 20 K, для образца n-Cz-Si ([Oi] =1 · 1018, [Cs] =1 · 1016, В спектрах, измеренных при комнатной температуре [P] =5 · 1015 см-3). 1 — после облучения электронами (E = 10 МэВ, F = 9 · 1016 см-2) при комнатной температуре; (спектры 3 и 4), положение полос комплекса V O для 2 — после отжига при 300C в течение 24 ч; 3 — после отжига образцов Si n-типа совпадает с таковым для образцов, при 480C в течение 5 мин; 4 — после отжига при 250C в сильно компенсированных облучением. Очевидно, при течение 30 ч.

комнатной температуре в обоих материалах все дефекты в конфигурации V O находятся в нейтральном зарядовом состоянии. Этот факт подразумевает, что акцепторный уровень комплекса V O расположен выше межузельных атомов с углеродом и кислородом (ICiOi).

Одновременное присутствие полос у 836 и 885 см-1 уровня Ферми в исследуемом n-Cz-Si при комнатной температуре ( EC-0.2эВ) и является относительно (см. спектр 1) свидетельствует о том, что в данном матемелким по отношению к дну зоны проводимости.

риале A-центры при низкой температуре присутствуют Исследования электрических свойств облученных как в нейтральном, так и в отрицательно заряженном кристаллов n-Cz-Si с различным уровнем легисостоянии. Отжиг при 300C в течение 24 ч приводит к рования, прошедших аналогичные термообработки существенному уменьшению интенсивности полос V O (320C 30 ч + 480C 5 мин + 250C 50 ч), показали, что и формированию полосы у 895 см-1, обусловленной комплекс V O действительно является электрически комплексом V O2. Следует отметить, что после данного отжига практически все A-центры находятся при низкой температуре в отрицательно заряженном состоянии (интенсивность полосы у 885 см-1 существенно превышает интенсивность полосы у 836 см-1, см. спектр 2), что свидетельствует об относительно невысокой концентрации глубоких компенсирующих центров. После кратковременного отжига при 480C (спектр 3) полностью исчезают полосы A-центра, происходит дальнейший рост полосы у 895 см-1 и наблюдается появление полос у 967 и 1023 см-1. Последующий отжиг при 250C в течение 30 ч приводит к заметному снижению интенсивности этих полос и росту полосы при 895 см-(спектр 4). Такое поведение является характерным для полос поглощения бистабильного комплекса V O2 [21].

Более наглядно указанные выше трансформации полос проявляются на дифференциальных (разностных) Рис. 3. Фрагменты разностных спектров поглощения, поспектрах поглощения. На рис. 3 показаны фрагменты талученных путем вычитания спектров, измеренных после ких спектров поглощения, полученных путем вычитания отжига образцов Cz-Si при 480C в течение 5 мин из спектров, измеренных после кратковременного отжига спектров, измеренных после отжига при 250C в теn-Cz-Si при 480C, из спектров, измеренных после чение 30 ч. Образцы облучены электронами с энергией длительного отжига при 250C. Эти спектры отража10 МэВ (1, 3 — F = 4 · 1018 см-2, [Oi] =1 · 1018, [Cs ] =5 · 1016, ют изменение равновесного распределения комплексов [P] =2 · 1014 см-3; 2, 4 — F = 9 · 1016 см-2, [Oi] =1 · 1018, вакансия–два атома кислорода по состояниям V O и [Cs ] =1 · 1016, [P] =5 · 1015 см-3). 1, 2 — измерения при 20 K;

V O2 при изменении температуры от 480 до 250C. 3, 4 — измерения при 300 K.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Бистабильность и электрическая активность комплекса вакансия–два атома кислорода в кремнии ния концентрации дефекта с мелким (по отношению к дну зоны проводимости) акцепторным уровнем после термообработки при 250C. Анализ ТЗКН, полученных для кристаллов с различным уровнем легирования, на основе двухуровневой модели (с учетом ионизации основной легирующей примеси — фосфора) показал, что акцепторный уровень дефекта, поведение которого соответствует таковому для V O, расположен у EC-0.06 ± 0.01 эВ.

На рис. 5 представлены спектры DLTS, полученные в температурном интервале 30-80 K, для облученных образцов n-Cz-Si после их отжига при 480 и 250C.

В спектрах доминирует пик с максимумом при T = 36 K (E36). Максимальное значение амплитуды пика E36 имеет место после кратковременной выдержки образцов при T = 480C. Последующие отжиги при температуре 250C приводят к существенному уменьшению амплиРис. 4. Температурные зависимости концентрации нотуды пика E36. Скорость этого процесса соответствует сителей тока в n-Cz-Si ([Oi] =1.1 · 1018, [Cs] =5 · 1015, скорости трансформации комплекса вакансия–два ато[P] =6 · 1014 см-3), облученном электронами с энергима кислорода из метастабильного состояния (V O) в ей 4 МэВ (F = 4 · 1016 см-2), прошедшем термообработосновное (V O2) при температуре 250C [21]. Этот факт ки: кривая 1 — 320C (30 ч)+480C (5мин), крипозволяет практически однозначно идентифицировать вая 2 — 320C (30 ч)+480C (5мин)+250C (50 ч).

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.