WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 2 05;06;07;12 Лазерная имплантация и диффузия магния в кремний © В.М. Арутюнян, А.П. Ахоян, З.Н. Адамян, Р.С. Барсегян Ереванский государственный университет, 375049 Ереван, Армения E-mail: vladimir@www.physdep.r.am (Aroutiounian) (Поступило в Редакцию 21 апреля 2000 г.) Представлены экспериментальные результаты лазерно-стимулированной диффузии (”имплантации”) атомов магния в кремний. Показано, что облучение неодимовым лазером ( = 1.06 µm, 0.4ms) приводит к увеличению растворимости и коэффициента диффузии магния в кремний. Исследованы вольт-амперные, вольт-фарадные характеристики, а также спектры термостимулированных токов кристаллов Si + Mg.

Интерес к приемникам инфракрасного (ИК) излуче- Ec = 0.115 eV, а второе состояние характеризуется ния, работающих в диапазоне оптических окон пропус- донорным уровнем Ec = 0.227 eV.

кания атмосферы (3–5 и 8–14 µm), до сих пор очень Воспроизводимость результатов, однородность и стевелик. Характеристики полупроводниковых примесных пень легирования сильно зависят от выбора источника ИК приемников, их эффективность во много определяют- диффузии, температуры диффузионного отжига и скорося свойствами, которые приобретает полупроводник при сти охлаждения после отжига. Однако примесь Mg очень введении в него той или иной примеси. Это в первую трудно ввести в кремний в процессе выращивания из-за очередь — глубина залегания уровней в запрещенной малого коэффициента сегрегации и высокого значения зоне, сечение захвата носителей заряда на них, а следо- упругости паров магния при температуре плавления вательно, времена жизни электронов и дырок, сечение кремния. Эти обстоятельства стимулируют поиск новых фотоионизации, концентрация примеси, находящейся в технологических методов легирования кремния атомами электрически активном состоянии [1]. магния (Si Mg ).

Для создания фотоприемников, работающих в выше- Известно, что при облучении полупроводниковых мауказанных диапазонах длин волн, в последние годы в ка- териалов лазерным излучением с плотностью энергии честве базового материала особое значение приобретает W 1 J/cm2 наблюдается ряд неравновесных процессов, кремний, легированный примесями с глубоким и мелки- характеризующихся ускоренной миграцией примесных ми уровнями, что обусловлено его высокой технологич- атомов за время коротких лазерных импульсов [2].

ностью, относительно большими значениями концентра- В настоящей работе сообщается о лазерной ”импланций электрически активных атомов примесей. Однако, тации” магния в кремний с целью создания фоторенесмотря на большие достижения кремниевой техно- зисторов инфракрасного диапазона на основе Si Mg.

логии, легирование кремния определенными примесями В качестве исходного материала использовались платрадиционными методами часто затруднено. Поэтому в стины p-Si 111 толщиной 1.0 mm с удельным сосовременной полупроводниковой электронике широко противлением 20-40 k·cm, выращенные методом применяются (хотя бы на отдельных технологических бестигельной зонной плавки. На поверхность предвариэтапах) фотонные технологии, в том числе излучение тельно химически обработанных, очищенных пластин в оптических квантовых генераторов-лазеров [2–5]. вакууме 4 · 10-5 mm Hg термически напылялся магний.

Известно, что для инфракрасных приемников диапа- Подобранные скорости напыления и температура подзона 8–14 µm на основе кремния хорошим легирантом ложки (T = 250C) обеспечивали хорошую адгезию при является магний (Mg), который будучи примесью вне- толщине напыленного слоя 0.2 µm.

дрения ведет себя как гелиоподобный двойной донор После этого образцы с напыленной стороны подвергас энергиями ионизации Ec, равными 0.107 и 0.25 eV лись облучению сфокусированным лучом неодимового для нейтрального (Mg0) и однократно ионизированного лазера (длина волны = 1.06 µm), работающего в (Mg+) донорного состояния [6–8]. режиме свободной генерации (длительность импульса Измерения эффекта Холла [8] выявили также 4 мелких 0.4ms).

донорных уровня с энергиями ионизации 0.04, 0.055, Плотность энергии излучения выбиралась исходя из 0.08 и 0.093 eV. Уровни 0.055 и 0.093 eV получены ав- оценки температуры нагрева поверхности образца по торами [9] из измерений спектров фотопроводимости. зависимости температуры от энергии и времени воздейПоследний уровень, так же как и отмеченные глубокие ствия импульса лазера [2,3,11]. При плотностях энергии уровни, подтверждается теорией [10]. Холловские из- излучения W 1.5 J/cm2 поверхность образца разогремерения, проведенные в [7] на кремнии n-типа с приме- валась до температуры эвтектики магния с кремнием сью Mg, выявили два разных по своим электрическим (температура эвтектики MgSi c 36.61 wt% Si равна присвойствам состояния, которые могут проявлять ионы близительно 950C [12]) и в результате под микроскопом магния. Первое — амфотерное с акцепторным уровнем хорошо наблюдалось оплавление поверхности образца.

5 68 В.М. Арутюнян, А.П. Ахоян, З.Н. Адамян, Р.С. Барсегян частях пленки соответственно). При этом в облученной части кристалла удельное сопротивление, определенное четырехзондовым методом, меньше, чем в необлученной части (рис. 1).

Наблюдаемое смещение границы легированного слоя и увеличение удельной проводимости для облученной части кристалла можно объяснить, полагая, что 1) под действием лазерного облучения на поверхности кристаллов образуются силициды магния, например MgSi, который при термодиффузии может проявить себя как неограниченный источник примеси [13]; 2) на поверхности структур при облучении образуется жидкая фаза, в которой, как известно, коэффициент диффузии примеси намного больше, чем в монокристаллическом кремнии;

если объяснить смещение границы глубины легирования кремния магнием только повышением значения коэффициента диффузии в жидкой фазе, тогда из соотношения L - L = D (где D— коэффициент диффузии, — длительность импульса) следует, что коэффициент диффузии в расплаве на несколько порядков должен превышать известные Рис. 1. Профиль удельного сопротивления и глубина залегазначения; 3) лазерное облучение приводит к генерации ния n-p-перехода необлученной (1) и облученной (2) частей кристалла. дефектов (например, вакансий кремния), по которым не только ускоряется диффузия [14,15], но и увеличивается предельная растворимость электрически активных атомов магния [4]. Не исключена также возможность Отметим, что при меньших плотностях энергии излуатермической, фотостимулированной, диффузии [16].

чения нами не было обнаружено образование эвтектики Для выявления характерных особенностей и преимуMg2Si с 58 wt% Si (температура эвтектики 637C [12]).

ществ используемой здесь лазерной технологии были Половина площади образца подвергалась облучению пуисследованы вольт-амперные (ВАХ) и вольт-фарадные тем сканирования лазерного луча по поверхности, что характеристики (ВФХ), а также спектры термостимуосуществлялось передвижением предметного столика по лированных токов (ТСТ) кристаллов кремния с надвум координатным осям. Другая половина кристалла пыленной магниевой пленкой ( Si+Mg ), облученных оставалась необлученной. После лазерного облучения лазерным излучением с разными плотностями энеробразцов, в ходе которого на их поверхности, по всей гии. Электрические контакты создавались вплавлением вероятности, образовывалась эвтектика MgSi кремниесплава Au + 1% Sb и Al на -n- и -p-стороны образцов вой подложки и напыленной магниевой пленки, образцы соответственно.

помещались в диффузионную камеру с непрерывным Как видно из рис. 2, где представлены вольт-амперпотоком инертного газа и проводилась обычная тер- ные характеристики, облучение с плотностью энергии мическая диффузия при температуре T = 1200C в течение 10 h.

После диффузии образцы быстро охлаждались путем погружения пластин в воду при комнатной температуре.

Затем образцы подвергались механической и химической обработке. Контроль типа проводимости образцов со стороны напыления пленки показал, что по всей площади пластин тип проводимости изменился с -p на -n. На обратной стороне пластин тип проводимости остался прежний p-тип, что был и до диффузии. Для определения глубины диффузии атомов Mg образцы подвергались косому шлифу, после чего вновь определялся тип проводимости уже по глубине образца. Оказалось, что глубина диффузии атомов Mg, определяемая по расположению n-p-перехода, в облученной лазерным излучением части кристалла составляла L 650 µm, Рис. 2. Вольт-амперные характеристики облученных струка в необлученной части L 500 (где L и L —глубины тур Si+Mg. Облучение с плотностями энергии W, J/cm2:

залегания n-p-переходов в облученной и необлученной 1 —1.8, 2 —2.4, 3 —2.8, 4 —3.3.

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. Лазерная имплантация и диффузия магния в кремний Для измерения спектров ТСТ в области температур 80 K и выше использовался азотный криостат, снабженный оптическими окнами, в котором образец находился в тепловом контакте с медным блоком, снабженным нагревателем, что позволяло плавно изменять температуру образца. Скорость нагрева кристалла при измерении температурной зависимости тока в указанном интервале температур составляла 0.4K· s-1.

Исследование спектров ТСТ проводилось по следующей методике [18]. Образец помещался в вакуумный криостат, охлаждался жидким азотом, а затем возбуждался светом из области собственного поглощения. После этого образец нагревался в темноте с постоянной скороРис. 3. Вольт-фарадные характеристики облученных струк- стью и регистрировалось изменение тока с изменением тур Si+Mg. Облучение с плотностями энергии W, J/cm2:

температуры. Сравнение результатов таких измерений с 1 —1.8, 2 —2.4, 3 —2.8.

измерениями, проведенными без предварительного низкотемпературного возбуждения полупроводника светом, позволяет обнаружить пики ТСТ, связанные с опустошением ловушек. Из полученных результатов можно W = 1.8 J/cm2 приводит к образованию выпрямляющей определить положение соответствующих энергетических структуры. Дальнейшее увеличение плотности энергии уровней в запрещенной зоне. В ряде случаев удается такприводит к ухудшению выпрямляющих свойств образже точно определить концентрацию ловушек и сечение цов, что может быть связано как с образованием разных захвата носителей в них.

фаз силицидов магния (Mg2Si или MgSi) при плотностях При определенных условиях интенсивность термостиэнергии W 1.8-2.5 J/cm2, так и испарением магния мулированного тока на начальном участке нарастания с приповерхностной области образцов при больших можно представить в виде плотностях энергии (при W > 2.5 J/cm2 наблюдается оплавление кремния). Наблюдаемая разность напряжеI exp(-Ei/kT ), (1) ний, при которых ток прямой ветви начинает быстро расти, может быть связана с образованием различных где Ei — глубина ловушки, отсчитываемая от края фаз силицидов магния с разными величинами высоты ближайшей разрешенной зоны [18].

потенциального барьера. Отсутствие насыщения тока на Результаты исследования спектров ТСТ облученных обратных ветвях ВАХ, вероятно, связано с утечками образцов кремния с напыленной магниевой пленкой через переход, обусловленными неоднородностью лазер Si+Mg представлены на рис. 5. Как видно, после ного пучка по площади.

облучения кристаллов Si+Mg в спектре ТСТ появляРезультаты исследований ВФХ облученных образцов ется токовый пик при Tmax = 105 K, обусловленный при частоте 1 MHz приведены на рис. 3. Из сопоставлеобразованием локального центра. Отметим, что лазерное ния рис. 2 и 3 видно, что при облучении с W = 1.8 J/cm2, облучение контрольных образцов кремния (без напылепри котором получено наилучшее выпрямление, ВФХ нного магниевого слоя) не приводит к появлению пика близка к теоретической (рис. 3, кривая 1). Из этой на спектрах ТСТ, что свидетельствует о том, что пик при зависимости был рассчитан концентрационный профиль Tmax = 105 K связан с ”имплантацией” магния в кремний.

N(x) ионизированных примесных атомов [17]. Из соотОпределенный, согласно формуле (1), по начальному ношения участку нарастания спектра ТСТ (рис. 5, кривая 1) энергетический уровень этого центра составляет Ec-0.13 eV, 1 2 kT = U - U0 +, C2 e0A2N(x) e где A — площадь исследуемого варактора, U0 — высота барьера на контакте металл–полупроводник, U —обратное напряжение, x =(0A)/C, методом дифференцирования получаем -C3 dC N(x) =-.

e0A2 dU На рис. 4 приведена рассчитанная зависимость N(x), из которой видно, что в приповерхностной области кристаллов концентрация примесных атомов составляет N 1016 cm-3, что превышает известные значения Рис. 4. Концентрационный профиль примесных атомов магпредельной растворимости магния в кремний [1].

ния.

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 70 В.М. Арутюнян, А.П. Ахоян, З.Н. Адамян, Р.С. Барсегян [9] Kleverman M., Bergman K., Grimmeis H.G. // Semicond.

Sci. Technol. 1986. Vol. 1. P. 49.

[10] Janzen E., Sterdman R., Grossman G. Grimmeis H.G. // J.

Phys. Rev. 1984. Vol. 29B. P. 1099.

[11] Wang J., Wood R., Pronko P. // Appl. Phys. Lett. 1978.

Vol. 33. P. 455.

[12] Hensen M., Anderko K. Constitutions of Binary Alloys.

New York: McGraw-Hill Book Company, Inc., 1958. P. 1488.

[13] Болтакс Б.И. Диффузия в полупроводниках. М.: Физматгиз, 1961. 462 с.

[14] Винецкий В.Л., Чайка Г.Е. // ФТТ. 1982. Т. 24. Вып. 7.

С. 2170–2176.

[15] Стрекалов В.Н. // ФТП. 1986. Т. 20. Вып. 2. С. 361–363.

[16] Вихнин В.С., Шейнкман М.К. // ФТП. 1985. Т. 19. Вып. 9.

С. 1577–1584.

[17] Павлов Л.В. Методы измерения параметров полупроводРис. 5. Спектры термостимулированных токов облученных никовых материалов. М.: Высшая школа, 1987. 240 с.

Si+Mg кристаллов: 1 — с засветкой, 2 — без засветки.

[18] Милнс А. Примеси с глубокими уровнями в полупроводниках. М.: Мир, 1977. 562 с.

а глубина уровня, задающего равновесную проводимость облученных образцов, определенная из спектра ТСТ (рис. 5, кривая 2), равна Ec = 0.28 eV. Эти данные хорошо согласуются с известными в литературе значениями энергетических уровней магния в кремнии [6–8].

Таким образом, на основе проведенных исследований можно утверждать, что предварительное лазерное облучение кристаллов Si+Mg приводит к увеличению глубины проникновения атомов магния в кремний. При определенных интенсивностях облучения наблюдается изменение типа проводимости и появление выпрямляющих вольт-амперных характеристик. Рассчитанный из вольт-фарадных характеристик концентрационный профиль показывает, что концентрация атомов магния в приповерхностном слое превышает известные в литературе значения концентрации электрически активных атомов магния. Анализ спектров термостимулированных токов показал, что лазерное облучение образцов Si+Mg приводит к появлению локальных центров с энергиями ионизации Ec = 0.13 и 0.28 eV.

Список литературы [1] Гаспарян Ф.В., Адамян З.Н., Арутюнян В.М. Кремниевые фотоприемники. Ереван: ЕГУ, 1989. 362 с.

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.