WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Складні системи і процеси № 1, 2003 СКЛАДНІ ФІЗИЧНІ СИСТЕМИ І ПРОЦЕСИ СКЛАДНІ ФІЗИЧНІ СИСТЕМИ І ПРОЦЕСИ МОДЕЛІ УТВОРЕННЯ НИЗЬКОТЕМПЕРАТУРНИХ ТЕРМОДОНОРІВ У МОНОКРИСТАЛАХ КРЕМНІЮ (Огляд) Бахрушин В.Є., Петрова С.В.

(Гуманітарний університет "Запорізький інститут державного та муніципального управління", 69002, Запоріжжя, вул. Жуковського, 70-б) У статті розглядаються моделі та основні характеристики утворення низькотемпературних кисневих термодонорів у монокристалах напівпровідникового кремнію, а також вплив легувальних елементів і зовнішніх факторів на ці процеси.

В статье рассматриваются модели и основные характеристики образования низкотемпературных кислородных термодоноров в монокристаллах полупроводникового кремния, а также влияние легирования и внешних факторов на эти процессы.

The models and main characteristics of low-temperature oxygen thermal donor formation in semiconductor silicon monocrystals and effect of alloying and external influences on these processes are discussed.

Вступ зькотемпературних термодонорів у кремКисень є основною фоновою доміш- нії, механізмів і моделей їх формування.

кою у всіх монокристалах кремнію, що вирощують за методом Чохральського [1, 1. Основні моделі низькотемперату2]. Його концентрація зазвичай знахо- рних кисневих термодонорів у кремнії диться в межах від 1·1017 до 2·1018 см-3 і в Присутність у кремнії кисню викликає багатьох випадках перевищує концентра- утворення термодонорів 1-го і 2-го роду ції всіх інших легувальних та фонових під час відпалу при температурах 350 – домішок. Технологія процесу виготов- 500 оС і 600 – 800 оС [1 - 3]. Їх концентралення напівпровідникових приладів ції залежать від вмісту міжвузловинного пов’язана з використанням різноманітних кисню в кристалі, температури та триватермічних обробок. Відомо, що навіть ко- лості відпалу і сягають 1·1014 - 5·1016 см-3.

роткочасні відпали при порівняно низь- На першому етапі вивчення низькотеких температурах призводять до утворен- мпературних термодонорів (термодонори ня електрично активних центрів за участю 1 роду, термодонори I) було встановлеатомів кисню, які можуть істотно зміню- но, що максимальна концентрація і почавати фізичні властивості кремнію. Ефек- ткова швидкість утворення термодонорів тивність введення цих центрів залежить I роду пропорційні, відповідно, 3-й і 4-й від типів та концентрацій інших домішок, ступеням концентрації кисню, а їх утвощо містить кристал, передісторії зразків рення супроводжується зменшенням конта умов термічних обробок. центрації оптично активного міжвузлоНезважаючи на велику кількість робіт, винного кисню [4]. Тому припускали, що присвячених термодонорам, механізм їх вони є комплексами SiО4, які виникають утворення залишається не повністю на початковому етапі розпаду пересичез'ясованим. ного твердого розчину кисню у кремнії.

Метою даної роботи був аналіз наяв- Але таке припущення не пояснювало елених даних про природу і властивості ни- ктричну активність термодонорів. Крім Складні системи і процеси № 1, того, звичайні концентрації термодонорів кі значення коефіцієнту дифузії. Крім то1-го роду є на кілька порядків вищими, го враховують можливість істотного ніж це випливає з теорії. Це можна пояс- впливу на величину коефіцієнта дифузії нити за допомогою припущення, що кое- анізотропних далекодіючих полів пружфіцієнт дифузії кисню є істотно більшим них напружень, створених деформаціями за значення, що отримують екстраполяці- решітки поблизу атомів кисню. Згідно з єю високотемпературних даних [5]. [9, 10] термодонори також утворюють міВідповідно до сучасних уявлень [1, 4], кроскупчення, лінійні розміри яких сягатермодонорами I роду є понад десять ти- ють кількох сотень ангстрем. Локальна пів близьких за властивостями двозаряд- концентрація термодонорів у них може них гелієподібних центрів (ТД-1: A, B, C, сягати 1019 см-3 [11].

…). Вони містять до шістнадцяти атомів Припускають [4, 12], що центрами закисню і мають енергії іонізації 0,05 - родження низькотемпературних термодо0,07 еВ для ТД0 і 0,12 - 0,16 еВ для ТД+ норів є електрично SiOn комплекси, що станів, відповідно. Величина енергії іоні- містять три або чотири атоми кисню і зації залежить від складу дефекту і змен- утворюються під час охолодження крисшується з ростом числа атомів кисню у талів після вирощування та на початку їх комплексі. Переважний тип дефектів ви- відпалу при температурах генерації терзначається концентрацією кисню у вихід- модонорів. Формування термодонорів них зразках та умовами термічної оброб- відбувається шляхом послідовного прики. На початковій стадії генеруються пе- єднання до цих комплексів рухливих одиреважно три перших типи термодонорів з ниць, що містять один атом кисню і, можмінімальною кількістю атомів кисню, які ливо, деякі інші атоми або точкові дефекформують у забороненій зоні рівні Ес – ти. Згідно з [13] такими одиницями мо0,156 еВ, Ес – 0,150 еВ і Ес – 0,144 еВ. Пе- жуть бути комплекси, що складаються з ретин захвату електронів для них складає одного атому кисню і вакансії або власноблизько 10-13 см-2 [6]. Всі вони є бістабі- го міжвузловинного атому кремнію. За льними дефектами, тобто можуть зворот- даними [14] припущення про входження но змінювати свою просторову й елект- власних точкових дефектів складу цих ронну структуру, мають негативну коре- комплексів не узгоджується з деякими ляційну енергію [7] і можуть знаходитися даними про вплив опромінення на утвоу двох конфігураціях – А (глибокий до- рення термодонорів, а рухливими одининор) і В (подвійний щільний донор). З цями імовірно є впроваджені атоми киспідвищенням часу відпалу домінуючими ню, що знаходяться у незв’язаному з рестають дефекти, що містять більшу кіль- шіткою збудженому стані і мають підвикість атомів кисню [8]. Енергії глибоких щені коефіцієнти дифузії.

донорних рівнів підвищуються з ростом Низькотемпературні термодонори почисла атомів кисню в комплексі і дорів- роджують піки інфрачервоного поглинюють відповідно Ec - 0,75 еВ, Ec - 0,48 нання, зумовлені електронними збудженеВ і Ec - 0,29 еВ. нями нейтрального стану ТД0 (300 - Сучасні моделі [5, 9] вважають, що іс- см-1) і однократно зарядженого стану ТД+ тотну роль в утворенні термодонорів грає (1200 - 1600 см-1) [4, 14], а також максинаявність у вихідних кристалах мікро- муми внутрішнього тертя з енергіями акфлуктуацій концентрації кисню (МФК) з тивації 1,41 – 1,44; 1,53 – 1,55 та 1,65 – періодом порядку 1 - 700 нм, що утворю- 1,68 еВ [13].

ються внаслідок нестійкості рівномірного За даними ЕПР спектроскопії терморозподілу атомів кисню та їх комплексів. донорам першого роду відповідають паЗавдяки ним кисню вже у вихідних крис- рамагнітні центри NL8, NL9, NL10 [4].

талах знаходяться достатньо близько один Усі вони виявляють ромбічну симетрію, а до одного, що усуває необхідність вико- перші також і помітну анізотропію gристання припущення про надмірно вели- фактора. Припускають, що до складу NL Складні системи і процеси № 1, центрів можуть входити атоми бора, а до рухливий комплекс, що містить один атом складу NL10 центрів – алюмінію. Центри кисню. Припускають, що електрично акNL8 відповідають однократно іонізова- тивні комплекси можуть утворюватися ному стану двозарядних термодонорів для будь-яких n, що перевищують певне (ТД-1)+ і мають симетрію C2v. критичне значення, яке найбільш імовірно Короткотривалі відпали за температу- дорівнює 3, 4 або 5. Найбільш стійкими є ри 550 оС призводять [2, 4] до зникнення комплекси, що містять 5 атомів кисню.

низькотемпературних термодонорів. Але Для них енергія зв’язку атома кисню доподальша термічна обробка за більш ви- рівнює приблизно 0,73 еВ. Зі збільшенням соких температур сприяє утворенню но- кількості атомів кисню у комплексі ця вевих типів кисневих дефектів (термодоно- личина спадає є за n 10 виходить на рів другого роду), що також виявляють сталий рівень ~0,2 еВ.

донорні властивості. Альтернативна модель утворення терПроцес відпалу низькотемпературних модонорів [4] припускає, що цей процес термодонорів зазвичай є багатостадійним. відбувається шляхом приєднання міжвузо При температурах 500 – 525 С початко- ловинних атомів кремнію до комплексів з вий (перши 10 – 40 хв.) етап відпалу тер- трьох атомів кисню. У цьому випадку модонорів можна описати [8] виразом процес може бути записаний у вигляді та кої системи квазіхімічних реакцій f = A exp + B, (1) (-Kt ) O3 + Sii O3Sii,1 = TD -1 ;

( ) де f – частка термодонорів, що не розпаOSii,1 + Sii OSii,2 = TD -1 ;

( ) 3 (4) лися, К = 7·10-4 с-1, що відповідає першо.............................

му порядку квазіхімічної реакції, яка описує процес. Спочатку зникають термодо- OSii,n-1 + Sii OSii,n = TD -1.

( ) 3 n нори, що місять максимальну кількість атомів кисню.

При низькотемпературних відпалах Температурна залежність константи спостерігається також утворення ряду одшвидкості реакції відповідає закону Аренозарядних донорних центрів з енергіями ніуса іонізації близько 30 меВ [4]. Природа та механізми утворення цих дефектів залиK = K0 exp / kT, (2) (-E ) шаються нез’ясованими. Відомо, що вони з’являються при тривалих (до 500 год.) відпалах при 450 оС, є парамагнітними де Е – енергія активації, значення якої за центрами з почти ізотропними gрізними даними може дорівнювати від 0,факторами і пов’язані з присутністю міждо 4,3 еВ (у більшості випадків від 1,5 до 2,5 еВ, що відповідає гіпотетичної при- вузловинного кисню.

скореній та нормальній дифузії кисню) 2. ВПЛИВ ЗОВНІШНІХ УМОВ НА [4].

У межах квазіхімічного підходу [4] ре- УТВОРЕННЯ ТЕРМОДОНОРІВ акції утворення та дисоціації термодоно- Ефективність утворення кисневих термодонорів в області 450 оС істотно зарів можна описати системою рівнянь лежить від попередньої термообробки (ПТО) кристалу. Характер її впливу істоOn-1 + R O* ;

n (3) тно залежить від зміни розподілу атомів O* On + Sii, n кисню [4, 9, 10]. При цьому слід враховувати, що ПТО можуть призводити до де O* та On – відповідно, електрично ак- утворення або розчинення центрів зароn дження термодонорів; утворення або розтивний та електрично нейтральний комчинення мікропреципітатів кисню, які не плекси, що містять n атомів кисню, R – Складні системи і процеси № 1, є центрами зародження термодонорів, але концентраціями кисню формування впливають на загальну концентрацію центрів генерації термодонорів йде повіміжвузловинного кисню у кристалі; поси- льніше і при попередній термообробці лення або послаблення мікронеоднорід- можливе підвищення їх концентрації, що і ності розподілу кисню та полів пружних призводить до зростання швидкості гененапружень. рації термодонорів.

За даними [4] відпал протягом 2 год. Аналогічною може бути і причина при 900 оС сприяє преципітації кисню і впливу попередньої термообробки на хапризводить до збільшення концентрації рактер зміни швидкості генерації термоцентрів зародження термодонорів і під- донорів під час відпалу при 450 оС [9]. У вищення початкової швидкості їх генера- вихідних (не відпалених) зразках швидції. ПТО при 1350 оС призводить до роз- кість генерації термодонорів зменшується чинення центрів зародження термодоно- з часом виходячи на насичення при трирів, уповільнює їх генерацію та зменшує валості відпалу понад 5 - 6 годин. У зразмаксимальну концентрацію. Відпал при ках, що пройшли попередню термообробо 1100 С може сприяти утворенню стабі- ку при 900 оС протягом 30 хв., швидкість льних центрів зародження термодонорів. генерації термодонорів у початковий моЗа даними [10] ПТО при 800 оС упові- мент відпалу близька до нуля, потім вона льнює процеси утворення термодонорів. зростає, залишаючись при цьому менше Основною причиною цього вважають швидкості їх генерації в невипалених зменшення кількості зародків майбутніх кристалах, і виходить на насичення за термодонорних комплексів у формі SiOm-1 тривалості відпалу понад 2 – 3 години.

(в моделі Кайзера-Фриша-Рейса). Таке поводження можна пояснити тим, о Попередній відпал при 900 С протя- що попередня термообробка знижує конгом 30 хв. знижує швидкість генерації центрацію центрів зародження термодотермодонорів, а також підвищує енергії норів у кристалі. Однак у процесі відпалу активації їх генерації та відпалу до 2,3 – при 450 оС формуються нові центри заро2,5 еВ, що близько до енергії активації дження і швидкість генерації термодонодифузії міжвузловинного кисню в крем- рів поступово зростає, доки процеси гененії. На думку авторів [12, 16], це зумовле- рації центрів зародження і їх зникнення но тим, що ПТО призводить у цьому ви- внаслідок формування термодонорів не падку до зниження частки атомів кисню, урівноважать один одного.

що беруть участь в утворенні термодоно- Дані про вплив опромінення на швидрів, внаслідок їх входження до складу ки- кість утворення термодонорів у кремнії сневих преципітатів, зникнення мікро- суперечливі. Істотний вплив на генерацію флуктуацій концентрації кисню і термодонорів можуть виявляти точкові пов’язаних з цим зменшення концентрації дефекти, що вводяться за допомогою центрів зародження термодонорів та пру- опромінення, а також гідростатичний жних напружень. За даними [12], таке тиск. У роботі [17] досліджувався вплив зниження спостерігається тільки для кри- опромінення кремнію іонами кисню на сталів з високою (понад 7·1017 см -3) кон- формування донорних центрів у темперацентрацією кисню. У кристалах з меншою турному інтервалі 350 – 550 оС. Відзначаконцентрацією кисню швидкість генерації ється істотне значення однорідності розтермодонорів після попередньої термооб- поділу утворюваних дефектів. Термообробки підвищується. Це пов’язане з тим, робка іонно-опромінених зразків призвощо у кристалах з високими концентрація- дить до підвищення концентрації вільних ми кисню максимальна концентрація електронів. При цьому з ростом дози центрів зародження досягається в процесі опромінення до 1·1016 см -2 спостерігаєтьохолодження вихідних кристалів після ся зростання концентрації донорів. Це повирощування і на початкових стадіях в'язано з участю власних точкових дефектермообробки. У кристалах же з малими тів, що утворюються під час опроміню Складні системи і процеси № 1, вання, в формуванні термодонорів. При- 2,3·107 с-1 ) без ПТО і Ea = 2,3 – 2,47 еВ;

скорене формування термодонорів спо- ( = 1,8·1011 – 2,4·1012 с-1) після ПТО-800.

стерігається також при відпалі за умов Таке збільшення неможливо пояснити високого гідростатичного тиску внаслідо- зменшенням концентрації зародків у викзбільшення концентрації центрів заро- гляді SiOm-1 преципiтатів в ході ПТО-800.

дження термодонорів [17].

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.