Влияние германия на кинетику образования низкотемпературных термодоноров и на начальные стадии процесса распада пересыщенного твердого раствора кислорода в кремнии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Фазовые равновесия в системе "Si - О"

1.2. Распад пересыщенного твердого раствора кислорода в кремнии

1.3. Термодонорный эффект в кремнии

1.3.1. Образование термодоноров

1.3.2. Низкотемпературные термодоноры

1.3.3. Высокотемпературные термодоноры

1.4. Влияние германия на термодонорный эффект в кремнии

1.5. Влияние германия на физические свойства кремния

1.6. Влияние облучения на процессы распада пересыщенных твердых растворов

1.7. Цели диссертации

2. МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Аппаратура и режимы термообработок

2.2. Определение концентрации кислорода в монокристаллах кремния

2.3. Измерение времени жизни неосновных носителей заряда по спаду лазерно-индуцированной фотопроводимости в монокристаллах кремния

2.4. Измерение коэффициента Холла, определение удельного сопротивления, концентрации и подвижности основных носителей заряда в монокристаллах кремния

2.5. Определение концентрации структурных дефектов в монокристаллах кремния

2.6. Электронная микроскопия

2.7. Облучение монокристаллов кремния быстрыми электронами

2.8. Нестационарная емкостная спектроскопия глубоких уровней

2.9. Метод электронной Оже - спектроскопии

3. ПРОВЕДЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ЕГО РЕЗУЛЬТАТЫ

3.1. Объекты исследования

3.2. Структура и свойства термообработанных легированных и нелегированных германием монокристаллов кремния

3.2.1. Физические свойства монокристаллов кремния после термообработки 450 °С

3.2.2. Физические свойства монокристаллов кремния после термообработок 500 °С и 600 °С

3.2.3. Физические свойства монокристаллов кремния после многоступенчатой термообработки 350 °С 750 °С

4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ВЫВОДЫ

Основным материалом микроэлектроники, силовой электроники, солнечной энергетики является монокристаллический кремний. Ряд физических свойств кристаллического кремния определяется содержанием в нем кислорода. Монокристаллы же кремния, выращенные методом Чохральского и методом жестко закрепленных сообщающихся сосудов, представляют собой пересыщенные, при температурах изготовления и работы полупроводниковых приборов, твердые растворы кислорода в кремнии.

С присутствием кислорода связаны кинетика образования термодоноров и микродефектов. Эти параметры оказывают сильное влияние на рабочие характеристики приборов и ИС, и поэтому понимание и управление ими представляет важную проблему.

Накоплено большое количество данных, посвященных природе и генерации термодоноров, а также влиянию различных примесей на их формирование.

Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию влияния германием на процессы образования в ходе одно - и многоступенчатых отжигов различных термодоноров в монокристаллах кремния, а, следовательно, и на кинетику распада пересыщенного твердого раствора кислорода в кремнии, в том числе в образцах, облученных быстрыми электронами. 5

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

ВЫВОДЫ

На основании проведенных исследований по изучению влияния германия на процессы образования низкотемпературных термодоноров и распада пересыщенного твердого раствора кислорода в монокристаллах кремния, выращенных по методу Чохральского и по модифицированному методу Чохральского ( методу жестко закрепленных сообщающихся сосудов), можно сделать следующие выводы:

1. Подтвержден эффект снижения скорости образования низкотемпературных (350 - 450 °С) термодоноров в легированных германием монокристаллах кремния. Получены экспериментальные данные о влиянии концентрации германия на параметры процесса образования низкотемпературных термодоноров.

2. Установлено, что в нелегированных и легированных германием монокристаллах кремния ( концентрация германия 5-1019, 1,5-Ю20 и 5• 1020 см"3) в ходе термообработки 450 °С (150 ч.) образуются области, обогащенные кислородом. Концентрации кислорода в выделении и вне выделения отличаются в 2 - 10 раз.

3. Установлено, что - несмотря на то, что в легированных германием монокристаллах кремния заметно снижена скорость образования низкотемпературных термодоноров - на состав обогащенных кислородом областей (предвыделений) германий влияет слабо, однако германий несколько увеличивает скорость их образования.

4. Установлено, что в облученных электронами с энергией 6 МэВ (флюенсами 1014 см"2 и 1015 см"2) нелегированных и легированных германием монокристаллах кремния процесс образования низкотемпературных термодоноров замедлен, причем в образцах, легированных германием, скорость образования термодоноров меньше, чем в нелегированных. Причина торможения процесса образования термодоноров в легированных германием монокристаллах кремния, по-видимому, связана с повышенной концентрацией в них вакансий и дефектов вакансионного типа. Установлено, что при температурах ~ 500 °С - 600 °С в легированных германием монокристаллах кремния, прошедших отжиг при 450 °С, преобразование низкотемпературных термодоноров в электрически неактивные комплексы проходит с меньшей скоростью, чем в нелегированных монокристаллах кремния. Установлено, что в монокристаллах кремния, легированных германием, скорость образования высокотемпературных термодоноров при 750 °С меньше, чем в монокристаллах кремния, нелегированных германием в 2 раза. Установлено, что предварительные низкотемпературные отжиги (350 °С, 30 ч.) ускоряют процесс образования высокотемпературных термодоноров (750 °С) в монокристаллах кремния, причем, значительно в образцах, легированных германием (~ 10 раз).

Дано физико-химическое обоснование влияния германия на процессы образования низко- и высокотемпературных термодоноров и предложена модель распада пересыщенного твердого раствора кислорода в легированном германием кремнии, основанная на том, что повышенная концентрация вакансий облегчает процесс образования тетраэдров Si04, из которых формируется SiC>2.

150

9. Получены предварительные данные о том, что двухступенчатая термообработка ( 450 °С, 40 ч. + 500 °С, 10 ч.) легированных германием ([Ge] ~ 5 • Ю20 см"3) монокристаллов кремния р - типа проводимости ( р = 1,2 • 1015 см"3 при 300 К) приводит к значительному возрастанию в них времени жизни неосновных носителей заряда.

В заключении выражаю искреннюю благодарность проф. Дашевскому М.Я. за научное руководство и полезное обсуждение полученных результатов, а также сотрудникам кафедры материаловедения полупроводников и других кафедр МИСиС за помощь в проведении эксперимента.

151

1. Физическая химия силикатов / Под ред. А.А.Пащенко. М.: Наука, 1986.

2. Общая технология силикатов / Под ред. А.А.Пащенко. М.: Наука, 1983.

3. Современная кристаллография / Под ред. Б.К.Вайнштейна. М.: Наука, 1979.

4. Mikkelsen J.C. "The mettaurgy of oxigen in silicon" // J. of Metals, 1985, V. 5, p. 51 -549.

5. Бабич B.M., Блецкан Н.И., Венгер Е.Ф. Кислород в монокристаллах кремния. К.: Интерпресс ЛТД, 1997. Рейви К. Дефекты и примеси в полупроводниковом кремнии. -М.: Мир, 1984.

6. Технология полупроводникового кремния / Под ред. Э.С.Фалькевича. М.: Металлургия, 1992.

7. Вавилов B.C., Киселев В.Ф., Мукашев Б.Н. Дефекты в кремнии и на его поверхности. М.: Наука, 1990.

8. Милне А. Примеси с глубокими уровнями в полупроводниках. -ML: Наука, 1977.

9. Сальник З.А. "Кислород в монокристаллах кремния, выращенных по методу Чохральского при воздействии внешних магнитных полей" // Неорганические материалы, 1995, том 31, №9, с. 1153 1163.

10. Newman R.C. "Oxygen diffusion and precipitation in Czochralski silicon" // J. Phys.: Condens. Matter., 2000, У. 12, p. 335 365.

11. Хируненко Л.И., Шаховцев В.И., Шинкаренко В.К. "Исследование колебательных спектров поглощения кислорода в твердых растворах Si<Ge>" // ФТП, 1986, том 20, вып. 12, с. 2222 2225.

12. Блистанов А.А., Вишняков В.Н., Гераськин В.В. "Состояние кислорода в кремнии" В сб.: " Твердые растворы элементарных полупроводников и полупроводниковых соединений". Научные труды МИСиС № 83. - М.: Металлургия, 1974, с. 9.

13. Корляков Д.Н. Физические свойства термообработанных монокристаллов Si<B, Ge> и Si<P, Ge>: Дисс. канд. физ.-мат. наук. — М., 1991.

14. Hwang J.M., Schroder D.K. "Recombination properties of oxygenprecipitated silicon" // J. Appl. Phys., 1986, V. 59, p. 2476 2487.

15. Wijaranakula W. "Solubility of interstitial oxygen in silicon" //

16. Appl. Phys. Lett., 1991, V. 59, p. 1185 1187.

17. Messoloras S., Newman R.C., Stewart R.J., Tucker J.H. "Isenhanced interstitial oxygen diffusion necessary to explain thekinetics of precipitation in silicon at temperatures below 650 °C?" //

18. Semicond. Sci. Technol., 1987, V. 2, p. 14 19.

19. Yamanaka H. "Formation kinetics and infrared absorption ofcarbon-oxygen complexes in Czochralski silicon" // Jpn. J. Appl.

20. Phys., 1994, Y. 33, p. 3319 3329.

21. Бабицкий Ю.М., Гринштейн П.М., Мильвидский М.Г. и др. "Закономерности преципитации кислорода в монокристаллах кремния при термообработке" // Кристаллография, 1988, том 33, вып. 3, с. 740 748.

22. Бабич В.М., Баран Н.П., Зотов К.И. и др. "Низкотемпературная диффузия кислорода и образование термодоноров в кремнии, легированном изовалентной примесью германия" // ФТП, 1995, том 29, вып. 1, с. 58 64.

23. McQuaid S.A., Binns M.J., Londos С.A. "Oxygen loss during thermal donor formation in Czochralski silicon: New insights into oxygen diffusion mechanisms" // J. Appl. Phys., 1995, V. 77, p. 1427- 1442.

24. McQuaid S.A., Johnson B.K., Gambaro D. "The conversion of isolated oxygen atoms to a fast diffusing species in Czochralski silicon at low temperatures" И J. of Applied Physics, 1999, V. 86, №4, p. 1878- 1887.

25. Неймаш В.Б., Пузенко Е.А., Кабандин А.Н. и др. "О природе зародышей для образования термодоноров в кремнии ( или еще один вариант ускоренной диффузии кислорода)" // ФТП, 1999, том 33, вып. 12, с. 1423 1427.

26. Фистуль В.И. Распад пересыщенных полупроводниковыхтвердых растворов. М.: Металлургия, 1977.

27. Воронков В.В., Мильвидский М.Г., Гринштейн П.М., и др.

28. Гомогенное зарождение кислородных преципитатов вкремнии" // Кристаллография, 1989, том 34, вып. 1, с. 199 —207.

29. Васильева М.В., Ильин М.А., Кузнецов В.П. и др. "Некоторые особенности высокотемпературной преципитации кислорода в кремнии, прошедшем предварительную термообработку" В сб.: "Свойства легированных полупроводниковых материалов" -М: Наука, 1990.

30. Гроза А.А., Заславский Ю.И., Литовченко П.Г. и др. "Факторы, влияющие на дефектообразование при распаде пересыщенного твердого раствора кислорода в кремнии" В сб.: "Легированные полупроводниковые материалы" - М.: Наука, 1985.

31. Сорокин Л.М., Мосина Г.Н. "Исследование дефектов, возникающих в кислородсодержащих монокристаллах кремния" В сб.: "Свойства легированных полупроводников" -М.: Наука, 1977.

32. Эйдензон A.M., Пузанов Н.И. "Особенности бездислокационных кристаллов кремния, выращенных методом плавающего тигля" // Неорганические материалы, 1995, том 31, №2, с. 147- 150.

33. Воронков В.В., Мильвидский М.Г., Резник В.Я. "Влияние ростовых микродефектов на преципитацию кислорода в бездислокационном кремнии" // Кристаллография, 1990, том 35, вып. 5, с. 1205-1211.

34. Бублик В.Т., Зотов Н.М. "Микродефекты, выявляемые с помощью диффузного рассеяния рентгеновских лучей, в бездислокационных монокристаллах кремния, выращенных по методу Чохральского" // Кристаллография, 1997, том 42, вып. 6, с. 1109-1113.

35. Булярский С.В., Светухин В.В., Приходько О.В. "Моделирование преципитации кислорода в кремнии" // Изв. вузов. Материалы электронной техники, 1999, № 3, с. 11 17.

36. Батавин В.В. "Механизмы образования термодоноров в кремнии" // Неорганические материалы, 1985, том 21, № 5, с. 734 737.

37. Гаворцевский П., Гэле С., Мали Д. и др. "Влияние термообработки монокристаллов кремния с высоким содержанием кислорода на электрофизические параметры" В сб.: "Свойства легированных полупроводниковых материалов" -М: Наука, 1990.

38. Kaiser W., Frisch H.L., Reiss H. "Mechanism of the formation of donor states in heat treated silicon" /7 Phys. Rev., 1958, V. 112, №5, p. 1546- 1554.

39. Андреев Б.А., Голубев В.Г., Емцев В.В. и др. "Процессы формирования " новых доноров" при термообработке кремния с различной концентрацией кислорода" II ФТП, 1993, том 27, вып. 4, с. 567 582.

40. Батавин В.В., Сальник З.А. "Природа термодоноров в кремнии, содержащем кислород" II Неорганические материалы, 1982, том 18, №2, с. 185- 188.

41. Романкж Б.Н., Попов В.Г., Литовченко В.Г. и др. "Механизмы геттерирования кислорода в пластинах кремния с неоднородным распределением механических напряжений" // ФТП, 1995, том 29, вып. 1, с. 166 173.

42. Витман Р.Ф., Гусева Н.Б., Лебедев А.А. и др. "Кислород в кремнии, легированном различными примесями" // Электронная техника. Сер. Материалы, 1991, вып. 6 ( 260), с. 61-63.

43. Deak P., Snyder L.C., Corbett J. W. "Theoretical studies on the core structure of the 450 °C oxygen thermal donors in silicon" // Phys. Rev. B, 1992, V. 45, p. 11612- 11626.

44. Kamiura Y., Takeuchi Y., Yamashita Y. "Annihilation of thermal double donors in silicon" // J. of Applied Physics, 2000, Y. 87, № 4, p. 1681 1689.

45. Баграев Н.Т., Витовский Н.А., Власенко JI.C. и др. "Скопления электрически активных центров в термообработанном кремнии, выращенном по методу Чохральского" // ФТП, 1983, том 17, вып. 11, с. 1979- 1984.

46. Шульпяков Ю.Ф., Витман Р.Ф., Лебедев А.А. и др. "Влияние высокого давления на состояние оптически активного кислорода в кремнии при термообработке" // ФТП, 1984, том 18, вып. 7, с. 1306-1307.

47. Дашевский М.Я., Докучаева А.А., Абаева Т.В. // Неорганические материалы, 1987, том 23, № 7, с. 1061. Васильев А.Л., Киселев Н.А., Докучаева А.А., Дашевский М'.Я. // Изв. АН СССР. Сер. физ., 1988, том 52, № 7, с. 1284.

48. Дашевский М.Я., Корляков Д.Н., Ладыгин Е.А. и др. "Влияние облучения электронами на физические свойства легированных германием монокристаллов кремния" // ФТП, 1990, том 24, вып. 12, с. 2073-2079.

49. Емцев В.В., Оганесян Г.А., Шмальц К. // ФТП, 1993, том 27, вып. 11/12, с. 2021.

50. Glinshyk K.L., Litovshenko N.M., Ptichin V.Y. // Phys. status solidi, 1989, V. 112, p. 65.

51. Помозов Ю.В., Хируненко Л.И., Яшник В.И. и др. // Электронная техника. Сер. Материалы, 1991, вып. 6 ( 260), с. 36.

52. Критская Т.В., Кустов В.Е., Трипачко Н.А., Шаховцев В.И. // Электронная техника. Сер. Материалы, 1989, вып. 4, с. 41. Кекуа М.Г., Хуцишвили Э.В. Твердые растворы полупроводниковой системы германий кремний. - Тбилиси: Мецниереба, 1985.

53. Глинчук К.Д., Литовченко Н.М., Птицын В.Ю. // ФТП, 1990, том 24, вып. 9, с. 1685.

54. Кекуа М.Г., Пагава М.О., Габричидзе Л.Л., Кобулашвили Н.В. // Неорганические материалы, 1995, том 31, № 5, с. 716.

55. Патент. Япония. № 7,557/75. Монокристаллы кремния, полученные вытягиванием из расплава, р. 179 180. Губенко А.Я. // Изв. вузов. Цветная металлургия, 1998, № 1, с. 51-57.

56. Ежлов B.C. Физические свойства и структурные особенности легированных германием монокристаллов кремния, выращенных в условиях жидкостной подпитки. Дисс. канд. физ.-мат. наук. М., 2000.

57. Литовченко Н.М., Трошин А.Л., Марченко Р.И. // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника, 1989, вып. 16, с. 55-60.

58. Бахрушин В.Е. Н Неорганические материалы, 1996, том 32, №8, с. 913 915.

59. Критская Т.В., Хируненко Л.И., Литник В.И. // Электронная техника. Сер. Материалы, 1991, № 6.

60. Богатов Н.М., Хабаров Э.Н. // Высокочистые вещества, 1989, № 2, с. 15-32.

61. Горелик С.С., Дашевский М.Я. Материаловедение полупроводников и диэлектриков. М.: Металлургия, 1988.

62. Бабицкий Ю. М., Горбачева Н.И., Гринштейн П.М. и др. "Кинетика генерации низкотемпературных кислородных доноров в кремнии с изовалентными примесями" // ФТП, 1988, том 22, вып. 2, с. 307 312.

63. Дашевский М.Я., Корляков Д.Н. "Влияние германия на образование термодоноров в монокристаллах кремния" // ФТП, 1989, том 23, вып. 4, с. 732 734.

64. Дашевский М.Я., Корляков Д.Н. "Физические свойства термообработанных монокристаллов Si и Si<Ge>" // Электронная техника. Сер. Материалы, 1991, вып. 6 ( 260), с.45 -47.

65. Критская Т.В., Хируненко Л.И., Яшник В.И. "Термическое дефектообразование в кристаллах Si : Ge" // Электронная техника. Сер. Материалы, 1991, вып. 6 ( 260), с.56 — 58.

66. Дашевский М.Я., Корляков Д.Н., Миляев В. А. и др. "Электрические свойства легированных германием монокристаллов кремния, подвергнутых термообработке" // ФТП, 1988, том 22, вып. 6, с. 1146- 1148.

67. Докучаева А.А. Свойства и некоторые структурные особенности твердых растворов на основе Si в системе Si Ge- О: Дисс. канд. физ.-мат. наук. М., 1990.

68. Бринкевич Д.И., Горбачева Н.И., Петров В.В. и др. "Термическое дефектообразование в кремнии, легированном германием" // Неорганические материалы, 1989, том 25, № 8, с. 1376- 1377.

69. Бринкевич Д.И., Вабищевич Н.В., Петров В.В. "Влияние отжига на концентрацию термодоноров в кремнии, легированном германием" // Неорганические материалы, 1999, том 35, № 3, с.277 279.

70. Рытова Н.С., Соловьева Е.В. "Влияние изовалентных примесей- источников упругих напряжений в кристалле на поведение точечных дефектов" // ФТП, 1986, том 20, вып. 8, с. 1380 -1387.

71. Бринкевич Д.И., Вабищевич Н.В. "Примеси в монокристаллическом Si, легированном Ge" II Неорганические материалы, 1997, том 33, № 9, с. 1054 1056.

72. Крюков В.Л., Соколов Н.В., Фурманов Г.П. и др. "Влияние высокотемпературной обработки на образование рекомбинационно активных центров в кремнии" // Электронная техника. Сер. Материалы, 1991, вып. 6 ( 260), с. 3-5.

73. Тезисы докладов Первой Всероссийской конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния "Кремний 96". - М.: МИСиС, 1996.

74. Лукьяница В.В. "Определение энергетических уровней элементарных первичных дефектов в кремнии" // ФТП, 1999, том 33, вып. 8, с. 921 —923.

75. Макаренко Л.Ф. "Проверка применимости модели моновалентного дефекта для описания свойств комплекса вакансия кислород в кремнии" И ФТП, 2000, том 34, вып. 10, с. 1162- 1165.

76. Хируненко Л.И., Шаховцов В.И., Шинкаренко В.К. и др. "Особенности процессов радиационного дефектообразования в кристаллах Si<Ge>" // ФТП, 1987, том 20, вып. 3, с. 562 565.

77. Андреевский К.Н., Трахброт Б.М. "Корреляция в поведении кислородных термодоноров и комплексов, ответственных за поглощение при 890 см"1, в Si, облученном в реакторе при разных температурах" // ФТП, 1990, том 24, вып. 12, с. 2136 -2140.

78. Неймаш В.Б., Сирацкий В.М., Крайчинский А.Н. и др. "Электрические свойства кремния, термообработанного при 530 °С и облученного электронами" // ФТП, 1998, том 32, вып. 9, с. 1049- 1053.

79. Батавин В.В., Концевой Ю.А., Федорович Ю.В. Измерение параметров полупроводниковых материалов и структур. М.: Радио и связь, 1985.

80. Dieter К. Schroder "Carrier lifetimes in silicon" // IEEE Transactions on electron devices, 1997, V. 44, № 1, p. 160-170. Кучис E.B. Гальвано-магнитные эффекты и методы их исследования. -М.: Радио и связь, 1990.

81. Технология микроэлектронных устройств. Справочник. / Под ред. З.Ю.Готра М.: Радио и связь, 1991.

82. Приборы и методы физического металловедения / Под ред. Ф.Вейнберга вып. 2. М.: Мир, 1974.

83. Пархоменко Ю.Н. Спектроскопические методы исследования: лабораторный практикум. М.: Руда и металлы, 1999. Вудраф Д., Делчар Т. Современные методы исследования поверхности. - М.: Мир, 1989.

84. Белов Н.В. Проблемы кристаллохимии силикатов. № 14. М.: Наука, 1980.