WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика твердого тела, 2000, том 42, вып. 11 Генерация термодоноров в кремнии: влияние собственных межузельных атомов © В.В. Воронков, Г.И. Воронкова, А.В. Батунина, В.Н. Головина, М.Г. Мильвидский, А.С. Гуляева, Н.Б. Тюрина, Л.В. Арапкина Государственный научно-исследовательский институт редких металлов (ГИРЕДМЕТ), 109017 Москва, Россия E-mail: icpm@mail.girmet.ru (Поступила в Редакцию 10 апреля 2000 г.) Генерация низкотемпературных термодоноров (ТД) в кремнии чувствительна к скорости охлаждения образцов (от температуры отжига до комнатной) и к атмосфере (воздух или вакуум). Этот эффект наиболее четко выражен в случае отжига при 500C, заметен при 480C, но почти отсутствует при 450C. Результаты хорошо объясняются ускорением процесса генерации ТД в присутсвии собственных межузельных атомов кремния (Si). Эти атомы эмиттируются термодонорами и затем поглощаются стоками — поверхностью образца и объемными микродефектами (вакансионными порами). При отжиге в вакууме основным стоком является поверхность. При отжиге на воздухе этот сток ”пассивирован” благодаря окислению и/или загрязнению, и главным стоком становятся поры; в результате концентрация атомов SiI существенно возрастает и скорость генерации увеличивается. Быстрое охлаждение образцов приводит к частичной пассивации пор (вследствие их декодирования быстро диффундирующими примесями) и к дополнительному увеличению скорости генерации.

Расчетные кинетические кривые, полученные в рамках данной модели, хорошо описывают эксперимент.

Кинетике накопления кислородных ТД в кремнии в 0.8 mm/min; содержание кислорода C = 1·1018 cm-3 (при процессе низкотемпературного отжига (обычно в интер- использовании современной калибровки 3.14 · 1017 cm-2 вале от 400 до 550C) посвящено огромное число работ; для оптического пика поглощения); содержание углеих обзоры представлены, например, в [1–4]. Эти данные рода ниже предела чувствительности, составляющего отличает сильная невоспроизводимость: при заданной около 2 · 1015 cm-3; кристалл был легирован бором до температуре отжига T и концентрации кислорода C концентрации NB = 1.7 · 1015 cm-3. Часть образцов кинетические кривые N(t) — зависимость концентрации исследовалась в исходном (пост-ростовом) состоянии, но ТД от времени отжига — могут различаться как по большая часть — после быстрого термического отжига форме (по характерному времени выхода на насыщение), (при 1250C, 35 s, в атмосфере азота). Такой предватак и по абсолютному значению N (в несколько раз).

рительный отжиг растворяет врожденные кислородные Частично такой разброс можно объяснить различием в кластеры [13], так что последующая агломерация кислосодержании в исследуемых образцах некоторых сопутрода должна начаться с ”чистого листа”. Однако не ствующих примесей углерода [5,6], водорода [7,8] или было обнаружено качественного различия между двумя азота [9,10]. Однако в исследованных нами современных указанными группами образцов. В дальнейшем все данкристаллах (в которых указанные примеси практически ные относятся к образцам, прошедшим предварительный отсутствуют) было найдено столь же сильное разлиотжиг, поскольку для них описанные ниже эффекты чие в N(t) при одинаковых T и C. Очевидно, что проявляются более отчетливо.

существует глубокая, фундаментальная причина этого Термодонорный отжиг проводили как на воздухе (этаразличия, не связанная просто с разным примесным пами по 3–4 часа до полного аккумулированного времесоставом материала. Таким фундаментальным фактором, ни около 80 часов; каждый этап завершался либо закалвероятнее всего, являются собственные межузельные кой — скорость охлаждения около 60 K/s, либо медленатомы кремния, эмиттируемые кислородными агрегатаным охлаждением вместе с печью после выключения ми [3,11]. В настоящей работе приведены эксперинагрева со скоростью 0.2 K/s), так и в вакуумированной ментальные данные, свидетельствующие о существенной кварцевой трубе с фиксированной скоростью охлаждения роли этого фактора. Полученные кинетические кривые 0.8 K/s, промежуточной между двумя указанными выше удается хорошо описать расчетными кривыми в рамках значениями.

простой количественной модели.

Концентрация ТД определялась по температурной зависимости концентрации электронов n(T), измеренной с помощью эффекта Холла (пример приведен на рис. 1).

1. Эксперимент Теоретическая (сплошная) кривая построена в предполоИсследовались образцы кремния, вырезанные из со- жении, что двойные ТД разного размера и соответственседних пластин одного кристалла со следующими ха- но со слегка различающимися энергетическими уровнярактеристиками: диаметр 150 mm; режим роста — ва- ми можно формально описывать одним (усредненным) кансионный [12], скорость роста относительно велика, глубоким уровнем и одним мелким уровнем. Несмо4 1970 В.В. Воронков, Г.И. Воронкова, А.В. Батунина, В.Н. Головина, М.Г. Мильвидский, А.С. Гуляева...

Рис. 1. Пример температурной зависимости концентрации электронов, определенной по эффекту Холла. Образец термообработан в течение 8 час при 500C на воздухе (с закалкой).

Параметры ТД, найденные из условия наименьшего отклонения теоретической (сплошной) кривой от экспериментальных точек: N = 2.45 · 1015 cm-3, глубокий энергетический уровень 133 meV, мелкий уровень 60 meV, разность концентраций акцепторов бора и STD равна 1 · 1015 cm-3.

Рис. 3. Переходные процессы при генерации ТД после переключения условий отжига. а — отжиг в вакууме после первоначального отжига на воздухе с закалкой (кривая A/V, темные квадраты); b — отжиг на воздухе с закалкой после первоначального отжига в вакууме (кривая V /A, темные кружки). Для сравнения приведены кривые, полученные с фиксированным режимом, на воздухе (A) и в вакууме (V).

Сплошные кривые — расчет.

Рис. 2. Кинетические кривые генерации ТД при 500C (I — отжиг на воздухе с закалкой; II — отжиг на воздухе с медленным охлаждением; III — отжиг в вакууме). 1–3 —расчитаны в рамках модели аггломерации кислорода, ускоренной собственными межузельными атомами.

тря на это упрощение, наименьшее среднеквадратичное отклонение теоретической кривой от экспериментальных точек обычно не превышало 3%. Определяемыми параметрами являются: концентрация двойных термодоноров N, их глубокий (Ed) и мелкий (Es) уровни (усредненные) и эффективная компенсирующая концентрация (равная разности между концентрацией мелких акцепторов (бора) и мелких доноров (фосфора), а также мелких одиночных термодоноров (STD) [14,15]).

Кинетические кривые N(t), полученные при 500Cотжиге для трех исследованных режимов: (1) отжиг на воздухе с закалкой, (2) отжиг на воздухе с медленным охлаждением, (3) отжиг в вакууме — приведены на рис. 2. Эти три кривые сильно отличаются по форме и по абсолютному значению концентраций, несмотря Рис. 4. Сравнение кривых генерации ТД для двух режимов на идентичность образцов. Отжиг в вакууме дает отно- отжига — на воздухе с закалкой (1) и в вакууме (2) при 480C (a) и 450C (b).

сительно низкую концентрацию двойных термодоноров, Физика твердого тела, 2000, том 42, вып. Генерация термодоноров в кремнии: влияние собственных межузельных атомов и кинетическая кривая имеет простую экспоненциаль- мов (на единицу объема) соответствует мощности стока ную форму (исключая небольшое падение при больших S =(/d)2 = 2000 cm-2 (толщина образца d = 675 µm временах). Отжиг на воздухе дает значительно более в нашем случае). Диффузионный сток на поверхность высокое значение N, и кривая имеет куполообразую значительно мощнее, чем на поры; отношение S/V форму. Сплошные кривые на рис. 2 рассчитаны в рамках равно примерно 14.

описанной далее модели, в которой основным параме- Существенное увеличение концентрации ТД при перетром является мощность стоков для атомов SiI (сильно ходе от отжига в вакууме к отжигу на воздухе (рис. 2 и зависящая от условий отжига). 3) объясняется тем, что в относительно чистых условиях Некоторые серии отжигов были проведены с пере- вакуумного отжига сток на поверхность лимитируется ключением режима (рис. 3). Если после нескольких только диффузией, т. е. является сильным (и концентраэтапов отжига на воздухе с закалкой дальнейший отжиг ция межузельных атомов слишком низка, чтобы ускорить проводился в вакуумной печи, то N(t) падала до значе- генерацию ТД). Напротив, при отжиге на воздухе пония, характерного для новых условий (рис. 3, a). При верхность пассивирована либо растущим слоем окисла, обратном переключении от первоначального отжига в либо поверхностными загрязнениями (или комбинацией вакууме к отжигу на воздухе (с закалкой) N(t) неме- этих факторов), и основными стоками становятся подленно начинала возрастать, до значений, характерных ры — менее мощные стоки. Соответственно концентрадля нового режима (рис. 3, b). ция CI возрастает и скорость генерации ТД увеличиваВлияние условий отжига становилось слабее при бо- ется. Дальнейшее увеличение скорости генерации при лее низкой T: при 480C оно оставалось существенным переходе от медленного охлаждения к закалке свидетельствует о частичной пассивации пор в последнем слу(рис. 4, a), но почти исчезало при 450C (рис. 4, b).

чае. Этот эффект естественно связать с декорированием пор быстро диффундирующими примесями (такими, как 2. Модель медь), проникающими в объем образца при отжиге. При медленном охлаждении эти примеси уходят обратно на Сильную чувствительность кинетической кривой N(t) поверхность. Однако при закалке примеси сохраняются к условиям отжига легко объяснить — как качественно, в образце и декорируют поры. Существенно, что только так и количественно — в рамках простой модели, сводячасть пор (в общем случае — микродефектов) декорищейся к четырем основным положениям.

руется примесью при закалке [16], и поэтому можно (1) Скорость генерации ТД, G, существенно возраожидать далеко не полной пассивации пор. Действительстает, если концентрация CI собственных межузельных но, по приведенной далее оценке, мощность стока на атомов достаточно велика [3,11]; зависимость G(CI) поры уменьшается всего в 1.5 раза. Данные соображения (обсуждаемая далее) может быть сведена к линейной подтверждаются при травлении образцов: до термодофункции.

норного отжига травление не выявляло микродефектов, (2) Межузельные атомы SiI эмиттируются термодоа после отжига в течение нескольких часов (на воздунорными кислородными кластерами On (где n —число хе с закалкой) выявляются микродефекты с объемной атомов кислорода в кластере). В результате эмиссии эти плотностью порядка 2 · 106 cm-3, что по порядку равно кластеры превращаются в кластеры вакансионного типа типичной плотности пор в вакансионном кремнии [12].

OnV (удаление атома кремния эквивалентно добавлению Перейдем теперь к количественной теории кинетивакансии).

ческих явлений на основе сформулированной общей (3) Эмиттированные атомы SiI поглощаются стокамодели.

ми — поверхностью образца и объемными стоками 2. 1. Скорость генерации ТД как функция (порами в материале вакансионного типа). При длительот концентрации межузельных атомов. Терном отжиге становится существенным также поглощение модонорные кластеры кислорода генерируются (зароатомов SiI вакансионными кластерами OnV.

ждаются) в результате последовательных переходов в (4) Мощность стоков зависит от условий отжига, некоторой цепочке состояний. Обозначим два соседних что и является причиной чувствительности кинетических состояния индексами k и k + 1; они различаются либо кривых к этим условиям.

размером n (числом агрегированных атомов кислорода), Диффузионный поток межузельных атомов к порам, либо атомной конфигурацией. В первом случае переход нормированный на произведение DICI коэффициента означает присоединение следующего атома кислорода, а диффузии и концентрации, равен 4RV NV (где RV — во втором — атомную перестойку. Скорость генерации средний радиус пор, а NV — их плотность). Величина G выражается в рамках классической теории зарождения 4RV NV может быть названа мощностью стока на поры как сумма по последовательным переходам [17] и обозначена V. Типичные параметры пор [12] соответствуют значению V = 150 cm-2.

1/G =1/Jk, (1) Диффузионный сток на поверхность образца приводит к зависимости CI от глубины z, которую можно аппрокси- где Jk — поток из k в следующее состояние k + мировать профилем sin(z/d). Потеря межузельных ато- для специального случая, когда кластеры находятся в 4 Физика твердого тела, 2000, том 42, вып. 1972 В.В. Воронков, Г.И. Воронкова, А.В. Батунина, В.Н. Головина, М.Г. Мильвидский, А.С. Гуляева...

равновесии с раствором мономера (так что их концен- Эмиссия уравновешена обратным поглощением атотрация Ck определяется законом действующих масс и мов SiI вакансионными кластерами (концентрация котопропорциональна Cn). Поток Jk равен произведению Ck и рых обозначается через NV ), когда концентрации трех частоты перехода k. Оба типа перехода — присоедине- реагентов (эмиттеры, поглотители и SiI) удовлетворяют ние и перестройка — могут ускоряться в присутствии закону действующих масс атомов SiI. Реакция присоединения ускоряется благоCINV /N =, (3) даря переносу кислорода быстро диффунидирующими (и быстро диссоциирующими) комплексами OSiI [3,11].

где — равновесная константа эмиссии. Полная скоРеакция перестройки ускоряется, если атомы SiI являрость генерации вакансионных комплексов равна разноются подвижными катализаторами этой реакции: атом сти потоков эмиссии и поглощения SiI становится ближайшим соседом кластера и снижает барьер для перестройки, а затем опять удаляется от dNV /dt = µ(N - CINV /). (4) кластера.

Она обращается в нуль при выполнении равновесного Для обоих типов перехода частота k (а значит, и соотношения (3).

поток Jk) является линейно возрастающей функцией от 2. 3. Уравнение баланса для собственных концентрации межузельных атомов CI. Часто скорость межузельных атомов. Межузельные атомы прозарождения (1) контролируется только одним (критичеизводятся с той же скоростью (4), что и вакансионные ским) переходом, и тогда она также является линейно кластеры (разность эмиссии и обратного поглощения);

возрастающей функцией кроме того, они (практически необратимо, ввиду пренебрежимо малой равновесной концентрации атомов SiI G = G0 + СI, (2) при низких T) поглощаются стоками со скоростью DICI где G0 — ”собственная” скорость зарождения (в отсутdCI/dt = µ(N - CINV /) - DICI. (5) ствие атомов SiI), a — ”каталитический коэффициент”, описывающий генерацию, ускоренную атомами SiI.

Мощность стоков (определенная выше) существенно Ранее предполагалось [3,11], что эмиссия атомов SiI зависит от условий отжига.

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.