WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 12 Взаимодействие водорода с радиационными дефектами в кремнии p-типа проводимости © О.В. Феклисова¶, Н.А. Ярыкин, Е.Б. Якимов, Й. Вебер Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов Российской академии наук, 142432 Черноголовка, Россия Институт низких температур, Технический университет Дрездена, D-01062 Дрезден, Германия (Получена 12 марта 2001 г. Принята к печати 3 апреля 2001 г.) Методом нестационарной спектроскопии глубоких уровней исследовалось взаимодействие водорода с радиационными дефектами в кремнии p-типа проводимости. Водород вводился в кристаллы, облученные электронами с высокой энергией, при жидкостном химическом травлении в растворе азотной и плавиковой кислот при комнатной температуре и последующем отжиге с обратным смещением при 380 K. Обнаружено, что процесс пассивации радиационных дефектов сопровождается образованием новых электрически активных центров с водородозависимым профилем распределения. Впервые показано, что водород пассивирует электрическую активность комплексов CsCi. На основе данных о пространственном распределении дефектов и кинетики процесса пассивации проведен анализ возможной природы вновь образующихся центров.

Определены радиусы захвата водорода дивакансиями, K-центрами, комплексами CsCi и новыми дефектами.

Введение ров) [9–11].1 В кремнии p-типа проводимости ситуация более сложная, и практически ни для одного из обнаНа различных этапах технологических обработок воруженных дефектов, возникающих в результате взаимодород, источником которого являются большинство исдействия водорода с радиационными дефектами [7,12], пользуемых реактивов и даже пары воды, может легко вопрос о природе не решен.

проникать в кристаллы кремния вследствие своей выВ настоящей работе методом нестационарной спектросокой диффузионной способности даже при комнатных скопии глубоких уровней исследовано взаимодействие температурах [1]. Обладая высокой химической активводорода с радиационными дефектами в кремнии p-типа ностью, водород легко вступает в реакции с примесями проводимости. Показано, что концентрация всех радии дефектами кристаллической решетки, пассивируя элекационных дефектов уменьшается при гидрогенизации, трическую активность целого ряда дефектов с мелкими причем этот процесс сопровождается образованием нои глубокими уровнями [2]. В случае мелких акцепторов вых электрически активных дефектов. На основе данных механизм их взаимодействия с водородом исследован о пространственном распределении новых дефектов и о достаточно хорошо [2], для других дефектов вопрос о кинетике процесса пассивации радиационных дефектов механизме такого взаимодйствия еще не решен. В попроведен анализ возможной природы образующихся деследние годы обнаружено [3–6], что, помимо пассивации фектов. Оценены радиусы захвата водорода для различэлектрической активности, взаимодействие водорода с ных радиационных дефектов.

дефектами и примесями может приводить к формированию новых электрически активных центров, которые Методика являются промежуточными звеньями последовательности превращений, приводящей к полной пассивации элекВ работе использовался набор кристаллов кремния трической активности этих дефектов и примесей.

p-типа проводимости, выращенных методом ЧохральскоСобственные точечные дефекты и их комплексы с го (Cz) и бестигельной зонной плавки (FZ), со средними атомами примесей образуются в кристаллах кремния на степенями легирования бором (от 6·1014 до 3·1015 см-3) различных этапах технологических обработок, поэтому и различным содержанием кислорода и углерода. Образизучение взаимодействия этих дефектов с водородом цы облучались электронами с энергиями от 2 до 6 МэВ не только представляет научный интерес, но и имепри комнатной температуре в диапазоне доз от ет практическое значение. При введении водорода в до 1016 см-3. Водород вводился в облученные крикристаллы с радиационными дефектами, а также после сталлы в результате жидкостного химического травлеимплантации образцов кремния протонами был найден ния (ЖХТ) в растворе фтористоводородной и азотной целый ряд новых, не обнаруживаемых в образцах без кислот (HF: HNO3 = 1 : 7) при комнатной температуре, водорода, дефектов [7–10]. Так, например, основной скорость травления составляла 2-4 мкм/мин.

дефект, возникающий в кремнии n-типа проводимости, с уровнем E(0.32) в большинстве работ связывают с ги- Здесь и далее обозначения типа E(0.32), H(0.30) показывают дрогенизацией комплексов вакансия–кислород (A-цент- положение энергетического уровня. Буква E обозначает, что энергия отсчитывается от дна зоны проводимости, а буква H — от потолка ¶ E-mail: feklisov@ipmt–hpm.ac.ru валентной зоны. Числовые значения приведены в эВ.

1418 О.В. Феклисова, Н.А. Ярыкин, Е.Б. Якимов, Й. Вебер Барьеры Шоттки формировались путем термического кривая). Это объясняется тем, что в кристаллах кремния напыления Al в вакууме. Омические контакты нано- p-типа проводимости водород, проникающий в припосились на обратную сторону образцов Al + Ga-пастой.

верхностные слои, весьма эффективно захватывается боПрофили распределения носителей заряда определялись ром. При этом происходит формирование электрически из вольт-фарадных характеристик (C-V-характеристик).

Спектры глубоких уровней измерялись методом нестационарной спектроскопи глубоких уровней (DLTS) вдиапазоне температур от 40 до 300 K на стандартной установке с использованием в качестве коррелятора усилителя с фазовым детектированием. В процессе измерений спектров глубоких уровней подавались заполняющие импульсы длительностью 1 мс. Пространственное распределение центров с глубокими уровнями измерялось при постоянном обратном смещении и переменной амплитуде заполняющего импульса на компьютеризированной DLTS-установке; при вычислении профиля принималось во внимание неоднородное распределение легирующей примеси.

Рис. 1. Спектры DLTS облученного p-кремния, выращенного методом Чохральского, после жидкостного химического траРезультаты эксперимента вления (штриховая линия) и последующего отжига с обратным смещением при T = 380 K (сплошная линия).

Известно, что в процессе облучения кремния высокоэнергетичными электронами генерируются собственные точечные дефекты — вакансии (V ) и междоузлия (I).

При этом междоузлия вступают в реакции замещения с некоторыми примесями [13], вытесняя их в межузельное положение (Ci и Bi). Мигрируя в кремнии, эти вторичные дефекты в свою очередь вступают в различные реакции, образуя устойчивые при комнатной температуре дефекты [14], к которым относятся комплексы углерод–кислород CiOi (K-центры) с H(0.36), парыбор– кислород BiOi с E(0.25), пары бор–бор BiBs с H(0.30) и метастабильные комплексы углерод–углерод CsCi с E(0.1/0.17) и H(0.05/0.09). Вакансии трансформируются в комплексы вакансия–кислород V-O (A-центры) с E(0.17) и дивакансии V2 с E(0.23), E(0.4) и H(0.21).

При этом соотношение стабильных радиационных дефектов в кремнии сильно зависит от примесного состава исходного кристалла.

Метод DLTS позволяет наблюдать только центры захвата основных носителей заряда, т. е. в кристалах p-типа можно тестировать лишь центры с глубокими уровнями, расположенными в нижней половине запрещенной зоны.

Стандартный спектр DLTS в облученных кристаллах p-типа состоит из пиков, обусловленных донорным уровнем дивакансий V2 с H(0.21), комплексами углерод– кислород CiOi (K-центры) и в кристаллах FZ-Si метастабильными комплексами углерод–углерод CsCi.

Влияние гидрогенизации на энергетический спектр глубоких уровней кремния, выращенного методом Чохральского и облученного электронами с высокой энергией, представлено на рис. 1. Непосредственно после Рис. 2. Профили концентраций электрически активного боЖХТ в спектре DLTS в этих образцах практически нира (a) и центров с глубокими уровнями (b, c) в облученном каких изменений не наблюдается и детектируются лишь Cz-кремнии после жидкостного химического травления и отуровни, соответствующие ”обычным” радиационным де- жига с обратным смещением (4В) в течение 60 и 480 мин.

фектам — дивакансиям и K-центрам (рис. 1, штриховая Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Взаимодействие водорода с радиационными дефектами в кремнии p-типа проводимости неактивных пар B–H [15]. При температурах 340–380 K связь B–H становится нестабильной. Поэтому отжиг при таких температурах с приложенным обратным смещением (RBA) стимулирует проникновение освободившегося водорода на большую глубину, где он может вступать в реакцию как с бором, так и с другими дефектами. При этом контролировать проникновение водорода можно с помощью C-V-измерений по формированию характерного провала в профиле электрически активного бора в процессе изотермического RBA [15].

После RBA в спектре DLTS облученных Cz-образцов наблюдаются следующие изменения: уменьшение амплитуды пиков радиационных дефектов и появление нового пика H4 с H(0.28) (рис. 1, сплошная кривая).

Рис. 3. Спектры DLTS облученного p-кремния, выращенноОбразование центров H4 наблюдалось во всех Cz- и го методом бестигельной зонной плавки, после жидкостного FZ-кристаллах в результате RBA при T = 340-380 K.

химического травления (штриховая линия) и последующего Отметим, что в необлученных кристаллах образования отжига с обратным смещением при T = 380 K (сплошная каких-либо новых центров с глубокими уровнями при линия).

гидрогенизации зарегистрировано не было. На рис. представлены профили концентраций электрически активного бора, радиационных дефектов и центров HКонцентрация центров H3 росла с увеличением длипосле ЖХT и последующего отжига с приложенным тельности RBA и в ряде случаев существенно превосхообратным смещением при T = 380 K. Видно, что с увелидила исходную концентрацию дивакансий и K-центров.

чением длительности RBA концентрация K-центров и диИз рис. 3 (сплошная кривая) видно, что уменьшается вакансий в гидрогенизированной области уменьшается.

также и концентрация центров CsCi. Насколько нам Концентрация новых центров H4 растет, проходит через известно, это первое экспериментальное наблюдение насыщение и затем начинает уменьшаться. При этом влияния водорода на электрическую активность этого все изменения в профиле распределения центров Hкомплекса. В настоящее время мы не можем связать происходят в области, насыщенной водородом. Кроме исчезновение CsCi с появлением какого-либо другого того, было обнаружено, что во многих Cz-кристаллах на уровня. Поэтому остается неясным, происходит ли в начальных стадиях RBA суммарная концентрация K- и данном случае формирование комплекса CsCi–H или H4-центров имеет равномерный профиль распределения водород стимулирует распад пары CsCi. Отметим, од(рис. 2, b), т. е. уменьшение концентрации K-центров нако, что теоретические расчеты [17] свидетельствуют примерно равно увеличению концентрации центров H4.

о возможности формирования водородсодержащего комПри облучении кремния, выращенного методом бестиплекса на основе центра CsCi.

гельной зонной плавки, помимо дивакансий и K-центров Еще раз подчеркнем, что все наблюдаемые изменения образуются комплексы углерод–углерод CsCi, которые в спектре радиационных дефектов и новых центров Hнадежно могут быть идентифицированы по их метастаи H3 по своему пространственному положению совпадабильному поведению [16]. На рис. 3 представлены спекли с областью распределения водорода.

тры DLTS, измеренные в облученном FZ-кремнии, где после ЖХТ регистрируются лишь пики, обусловленные радиационными дефектами (штриховая кривая). Исполь- Обсуждение результатов зуя ту же процедуру отжига с обратным смещением, мы обнаружили, что сигнал от всех радиационных центров Проанализируем реакции последовательного присоуменьшается и одновременно наблюдается появление единения водорода к дефекту с концентрацией N0. Предцентров H4 и H3 (рис. 3, сплошная кривая). Характер полагая, что продукты этого взаимодействия при исобразования центров H4 в процессе RBA в этих образ- пользуемых в экспериментах температурах стабильны, цах подобен тому, что мы наблюдали в Cz-кристаллах, взаимодействие дефекта с водородом и образование нот. е. при увеличении длительности RBA концентрация вых комплексов в произвольной точке кристалла можно центров H4 возрастала с последующим образованием представить в виде [18] минимума в области с высоким содержанием водорода, Nи профиль распределения центров H4 хорошо корре- = -4Dr0N0[H], (1.1) t лировал с профилем распределения водорода. Однако Ni баланс между уменьшением K-центров и образованием = 4D(ri-1Ni-1 - riNi)[H], (1.2) центров H4 отсутствовал в FZ-кристаллах, и в некото- t рых случаях концентрация образующихся центров H4 где Ni — концентрация комплексов, содержащих i атовдвое превосходила исходную концентрацию K-центров. мов водорода, r0,i — радиус захвата атома водорода Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 1420 О.В. Феклисова, Н.А. Ярыкин, Е.Б. Якимов, Й. Вебер соответствующим комплексом (i = 1, 2, 3... ), [H] и D — концентрация и коэффициент диффузии водорода.

Для решения этих уравнений нам не достает значений D, r, [H]. Однако эту проблему можно обойти, преобразовав систему уравнений (1.1), (1.2) к следующему виду:

N= -r0N0, (2.1) Ni = ri-1Ni-1 - riNi, (2.2) где t= 4D[H]dt. (3) Рис. 4. Кинетика трансформации дефектов в облученном Cz-кремнии в процессе отжига с обратным смещением при T = 380 K. Значения рассчитывались по формуле (3) с исВ условиях динамического равновесия между [H] и [B–H] пользованием профилей концентрации электрически активного концентрация подвижного (не связанного с бором) водобора.

рода может быть найдена как BH [B]0 - [B] [H] =, (4) 4DrBH [B] где BH — скорость диссоциации пар B–H при заданной температуре, rBH — радиус захвата водорода на бор, [B]0 — полная концентрация бора и [B] — концентрация электрически активного, не пассивированного водородом, бора. Величины rBH, BH были экспериментально определены в [15] и составляют rBH = 4нм, BH = 3 · 10-3 c-1 при 380 K. Подставляя (4) в (3), можно вычислить значения из экспериментальных данных в конкретных точках как функцию длительности RBA t0. Профилирование методом DLTS позволяет нам определить концентрацию радиационных Рис. 5. Кинетика трансформации K-центров и комплексов дефектов и новых центров после каждого шага RBA.

CsCi в облученном FZ-кремнии в процессе отжига с обратным Из C-V-измерений можно восстановить распределение смещением при T = 380 K.

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.