Энергетический спектр и процессы трансформации новых термодоноров в кремнии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. А.Ф. И0ЯФЕ

На правах рукописи

ОГАНЕСЯН ГАГИК АРАРАТОВИЧ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СПЕКТР И ПРОЦЕССЫ ТРАНСФОРМАЦИИ НОВЫХ ТЕРМОДОНОРОВ В КРЕМНИИ

(01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1Э93

Работа выполнена в Санкт-Петербургском физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН.

Научный руководитель - доктор физико-математических наук,

ст. науч. сотрудник - консультант Машовэц Т.В.

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук,

профессор Мастеров В.Ф.,

доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Лебедев A.A.

Ведущая организация - Институт проблем технологии

микроэлектроники и особо чистых материалов РАН, г. Черноголовка, Московская область. Защита состоится " 44 " 1993г. в 4JL. часов на

заседает специализированного совета К-003.23.02 физико-технического института им. А.Ф.'Иоффе РАН. I94021, Санкт-Петербург, Политехническая ул., д. 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН. , г

Автореферат разослан " yf " OktV-XCp-fi 1ЭЭЗг. Отзывы об автореферате в двух экземплярах, заверенные печатью, проект выслать но указанному адресу секретарю специализированного совета. Ученый секретарь . специализированного совета К-003.23.02

кандидат физико-математических наук Бахолдин С.И.

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

Актуальность теш.

Широкая распространенность и хорошие полупроводниковые свойства позволяют кремнию занимать ведущее место среди материалов, применяемых в электронной технике. Особую роль с точки зрения технологии приборов на основе кремния играют примеси кислорода и углерода, которые попадают в

кристаллическую решетку при выращивании по методу Ч^хральского ) .

Монокристаллы кремния, начинал с их выруливания и до изготовления приборов на их основе, прохоцят несколько этапов термообработки, в результате чего могут произойти изменения многих важных параметров материала за счет образовали термодефектов, в частности кислородосодвржащих.

В последние года при изготовлении приборов на основе кремния широко применяется метод внутреннего геттерировашн, целью которого является защита поверхностно-активных структур от проникновения нежелательных примесей при различных термообработках, связанных с технологией изготовления приборов. Процесс генерирования заключается в захвате атомов этих примесей геттерами, в первую очередь, преципитатами кислорода. Для реализации этого метода требуется крвмшй с высоким содержанием кислорода, т.е. cz-.ni , таким образом приходится принимать во внимание влияние кислорода как на образование термодефектов, так и на гет^еряронакиб.

Дело в том, что име/?но кислород является основной составляющей термодефоктов. образующася н наиболее важной с технологической точки эрепия области температур 3(Ю-800°С, это так называемые термодонеры (то), дефекты с достаточно сложным энергетическим спектром и пространственной структурой. Весьма существенным являются та»: «а влияние углерода на распад твердого пересыщенного расткора киилоролд и ¿орнирс/х^ние то в

крэмнии, что весьма затрудняет исследование процесса образования то.

Проблема то привлекает внимание исследователей во всем мире на протяжении последних двадцати лет. Этот интерес понятен, поскольку кремний все шире используется в микроэлектронике, а дефекты, образующиеся в кремнии при термообработке, существенно влияют на качество, изготовляемых приборных структур. Детальное исследование свойств то, процессов .я формирования и взаимодействия с другими дефектами открывает возможности совершенствования технологии выращивания кремния и улучшения процессов изготовления элементной базы микроэлектроники. В научном плане эти исследования расширяют знания о процессах, происходящих в реальных кристаллах. Экоперименталыые данные о свойствах то недостаточно полны, а зачастую содержат серьезные противоречия, поэтому до настоящего времэшг исследование то является весьма актуальной задачей.

Цель работы.

Целью настоящей работы явилось изучение электрических характеристик то. при этом основное внимание уделялось так называемым "ноаым донорам" (ко), образующимся в области температур 600°С $ т^ 700°С. Исследованы энергетический спектр указанных центров, а также влияние на этот спектр таких важных параметров как концентрация кислорода, температура и длительность термообработки, концентрация примеси германия. '

Для исследования электрических свойств то в кремнии в работе изучались температурные зависимости концентрации носителей заряда. Это позволяло с помощью уравнения электронейтрахьности раздельно определять концентрации основных и кокпеныгрукдап центров, "ли данные были дополнены результатами оптических измьрек:!й.

Научная новизна.

1. Показано, что при сравнительно малых концентрациях кислорода (6+8Н017см~а в Сг-Э1 скорость образования двойных термодоноров (тго) при т^500°С растет при увеличении концентрации кислорода приблизительно по линейному закону, в то время как при больших концентрациях (согласно литерзтурннм данным) эта скорость пропорциональна четвертой стэпеки концентрации кислорода.

2. Кислородосодержввдй центр с ЭГ1Р спектром образующийся в сг-Б1 <р> при т=460°С, является простым донором с энергией ионизации большей, чем « е^-0.06 эБ.

3. Распределение N0 в , образующихся при Т^СССГС, по их энергиям ионизации зависит от концентрации кислорода, а также от температуры термообработки. Центры с более глубоки?® донорными уровнями доминируют при более высоких юмперат.урах (т=700°С).

4. Термообработка сг-з* при т=600°С ушньаает концентрации мелких акцепторных и донорпых состояний, в результате взаимодействия атомов остаточных примесей' бора и фосфора с собственными точечными дефектами.

5. Присутствие изовалэнтной примеси германия з концентрации « 2 • 10госм~э практически полностью подавляет тон компоненту в составе кь, возникающую п сг-Ег <Ое> при т=ЭХГО.

. Практическая значимость работы.

Дефекты, образующиеся в кремнии при технологической термообработке и. в первую очередь, киолородосодерзкэщиа тг>, существенно влияют на электрические) парглеетры" материала и приборных структур на его основа. Исследования природа то, ьх энергетического спектра, процессов формирования и отката способствуют совершенствованию технологии Енравюания кремния и процессов изготовления приборов. Представленные результаты, обладают практической ценностью.

- 6 -

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Установлено, что г сг.-Е1 характер зависимости скорости образования то при т=450°С от концентрации кислорода резко изменяется в области концентрации (6+8)-Ю17см"а. Это позволяет ввести понятие "критической концентрации" кислорода, вблизи которой резко изменяется характер его распределения в решетке и, следовательно, характер процесса формирования то.

2. ЭПР спектр Б!-мл о, предположительно идентифицированный в сг-эх<р> ранзе в литературе как акцепторное состояние кислородосодержащего термодефекта, в действительности принадлежит то с уровнем, расположенным глубже, чем « ес-0.06 эВ.

3. Вклад различных компонентов энергетического спектра ыо в сильно зависит от температуры термообработки и концентрации кислорода. При т=600°С доминирующими являются тоо центры с уровнями » е^-0.07 эВ и е^-0.15 эВ, если концентрация кислорода составляет 6 ■ 1017см"3. При концентрации кислорода >8-1017см"3 к известным двойным донорным центрам добавляются донорные центры с уровнями « е -0.03 эВ и *< ес-0.09 эВ. При повышении температуры (до т=700°С) доминирующими становятся -более глубокие то с. уровнями «ес-0.12 эЕ и« е -0.3 эВ.

с

4. Присутствие изовалентной примеси германия в концентрации к2 •10зосм"э практически полностью подавляет тоо компоненту в составе N0, возникающую в сг-2кое> при Т=600°С..

Апробация работы.

Результаты работы докладывались и обсуждались на I Национальной ' конференции по дефектам в полупроводниках (Санкт-Петербург, 1992), на XVII Международной конференции по дефектам в полупроводниках (Австрия, Гмукден, 1993), на V Мездународной конференции по генерированию и исследованию дефектов в полупроводниковой технологии (бАОЕст) (Германия.

Клингеммле, 1993), на научных семинарах в лаборатории фкзики локалышх состояний в полупроводниках (ФТИ юл. А.Ф.Иоффе РАН), на научных семинарах в университетах г. Падерборна и г. Нюрнберга (Гемания), а также в Исследовательском центре фирмы "Сименс" (Германия, Мюнхен).

Публикации.

Материалы диссертации изложат в 8 научных работах, в том числе в 5 статьях и в 3 докладах конференций, слисок которшс. приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из наименований. Материал изложен на -¿¿¿страницах, включает ^¿рисунка и таблица.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснсзана актуальность темы денной работы, показана ее научная и практическая значимость, сформулированы цель работы и положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена обзору экспериментальных дзгакх и существующих представлений о кислородосодеркащих комплексах в кремнии, касающиеся расположения атомов кислорода в решетке кремния, коэффициента диффузии, растворимости, влияния кислорода на оптические и электрические свойства кремния. Приведены данные мехашзмов образования, гнэргетического распределения и отжига кислородосодеркащих центров б кремнии. Поскольку при комнатной температуре монокристалла кремшл представляют собой пересыщенный твердый раствор кислорода, э повышение температуры cz-si выше 300°С приводит к кластеризации и преципитации кислорода (когда образуются комплексы типа sio^ или si^o^ в объема кристаллов Г11), то з обзоре рассмотрен также процесс преципитации кислорода з зависимости от концентрации кислорода и углерода, от термической предыстории материала и от режима термообработки.

В главе по литературным данным приводятся основные закономерности образования то в кремнии при термообработке т=450°0 :

1. Начальная скорость образования td при т=450°С примерно пропорциональна четвертой степени концентрации межузельного кислорода [2].

Г^гЛ

—= , ( 1 ) dt

L J t- О

где ntd- концентрация td в момент времени t,

no - исходная концентрация межузельного кислорода, к - коэффициент, зависящий от температуры термообработки.

2. Максимальная концентрация всех td пропорциональна третьей степени концентрации межузельного кислорода:

КТ = ( 2 )

где n™^"- максимальная концентрация то,

m - коэффициент, зависящий от температуры. Отмечается, что наличие углерода в cz-si с концентрацией, превышающей 2 • 10,7см"а (при одной и той же концентрации кислорода), замедляет скорость образования td при термообработке лри т=450°0.

Подробно обсуждаются свойства td, образующихся в cz-si при термообработке при 350°С < т $ 500°С. Отдельно рассматривается каждое семейство: tdd, std, ntdd.

. tdd семейство. Эти двойные термодоноры являются основными при термообработке длительностью t<50 час при т=450°С. Семейство tdd включает в себя по крайней мере 18 типов двойных доноров с энергетическими уровнями е -(0.04+0.07)эВ и ее-(0.11+0.15)эВ. Центры tddo-tdd2 являются бистабильными. При температурах "r=600-650eC tdd быстро отжигаются' (так называемый donor-killing annealing).

СемейстБо std включает в себя семь .типов мелких

термодоноров с уровнями ес-(0.03+0.04)эВ. Полагают, уто основой структуры термодоноров это служат комплексы [н-о).

Термодоноры нтрр предположительно идентифицировались как двойные центры с уровнями « е^-О.ОЗэВ и * ес-0.09эВ. Стабильность мтпо выше, чем стабильность той.

Помимо рассматриваемых центров, при ЗПР исследовании после термообработки при т=45С°С обнаружены такке кислородосодержащие центры бх-иьо и бх-млс, последние образуются, как полагают, при участии примесей ш группы. Спектры 31-мьа надежно идентифицированы как принадлежащие однократно ионизованным тш+. Напротив, спектры я-мио предположительно приписываются центрам той", имеющим акцепторные состояния вблизи зоны проводимости [3,4].

В обзоре описываются результаты исследования свойств тг>, образующихся в при термообработке т^бОО°С. Отмечается,

что эти доноры имеют квазинепрерывный спектр состояний. е интервале ес-(0.05+0.3)эВ. Для них характерна высокая термическая стабильность [5,61. Такое отличие энергетических спектров то, образующихся в сг-ьч.' при т^500°С и т^600°С, а также сильно различающаяся их стабильность дали основияие считать эти то различными по природе. Поэтому то, возникающие в'сг-зд при т^600°с, принято называть n0.

Обсуждаются работы, в которшс .изучапось влияние изовалентной примеси германия на процесс образования ш>. Полученные данные во многом противоречивы.

В заключении главы I сформулирована общая постановки задачи.

Во второй главе рассмотрены методические вопросы. Исследования проводились на образцах чистого с2-:л Р-типп с остаточным примесным фоном бора и фосфора и на образцах п-типа, легированных фосфором и изовалентной примесью германия. Легирование примесями производилось в процессе

выращивания из расплава.

Образцы подвергались термообработке в диффузионной печи с автоматическим режимом регулирования в атмосфере сухого азота. Термообработка проводилась либо при 450°0, либо в интервале 60П-700°С с точностью 1°С, от I часа до 240 часов. Описана технология приготовления образцов и контактов к ним. Облучение образцов проводилось на гамма-установке ""со с интенсивностью л=1-10 см^с"1 при комнатной температуре. Изложена методика измерения электрических параметров и определения коэффициента Холла и концентрации свободных носителей.

Для измерения температурной зависимости э.д.с. Холла и удельной электропроводности использовался метод Ван-дер-Пау. Измерения в температурном диапазоне 15-300К производились с помогаю металлического криостата со встроенным соленоидом. Напряженность магнитного поля соленоида составляла 553 эрстед. Тегпвратура в измерительной капсуле измерялась при помощи полупроводниковых термометров сопротивления. Управление экспериментом осуществлялось с помощью разработанной в ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН автоматизированной системы "Холл диагностика" [7).

Экспериментальные ■ кривые (температурные зависимости концентрации свободных носителей) анализировались на основе уравнений электронейтральности. Рассматривается метод анализа зависимостей пст> в том случае, когда имеет место распределение двойных донорных центров по энергиям ионизации. В основе этого способа лежит вывод о том, что тоо не взаимодействуют с собственными точечными дефектами, возникающими в процессе гамма-облучения [8,9] при комнатной температуре.. Единственным результатом облучения термообработанного материала является компенсация мелких состояний тоо акцепторами радиационного происхождения (А-центрами). Приведены некие соображения, служащие

- II -

физическими основами для анализа пстэ.

В третьей главе обсуждается процесс образования то в Сг-Б! при т«с500Х.

Проведено исследование скорости образования тоо в сг-51 с различной концентрацией кислорода при т=450"С. Для определения скорости аи ->са на начальных этапах термообработки (когда она максимальна ) длительность термообработки образцов брилось в пределах 2-24 часов. Концентрация кислорода в образцах, составляла ы =б-10~>7см~э и N =8-10""см"®.

ОХ ок

Получено, что скорость образования тоо увеличивается кри увеличении концентрации кислорода в исходном сг-зх. Однако, б пределах и *(б+8) • 10~17см~э она растет практически по линейному закону, а при 10"17см~* она приблизительно

пропорциональна (мох)'*. Как нам представляется, линейный рост начальной скорости образования тоо указывает не то, что атомная структура первого члена семейства тоо включает и себя один атом кислорода. Возможность существования такой структур!! рассматривалась теоретически в [10]. Имеются основания полагать 1111, что при • 10",7см~а изменяется характер

распределения кислорода в исходном и ь

микронеоднородностях распределения ужо имеются центр»; преципитации. Наличие центров преципитации, возможно, является причиной увеличения показателя степенной .зависимости ам^^н

от n .

он

Процесс формирования тоо изменяется при длительной термообработке. Сравнительное изучение температурниу зависимостей концентрации электронов для сг-кх, подвергнутого термообработке при т=450°С в течение 16 час., 120 час. и 240 час., показало, что если при 1= 16 чес. то представлены лишь семейством тоо, то при 4-120 час.и 1-2-10 час, к дай добавляются центры относящиеся к семейству ытос (порзос заметное проявление нггю отмечено при час.).

- 12 -

При длительной термообработке наблюдается:

1. Уменьшение концентрации tdd и рост концентрации ntdd (ср. 120 час. и 240 час.).

2. Смещение "центра тяжести" распределения tdd по энергиям ионизации в сторону tdd с большими номерами.

Изучение свойств и поведения si-nlio<p> центров в cz-si, легированном фосфором и термообработанном при т=460°С, приведено с учетом следующих соображений.

Во-первых, следует исключить влияние элементов III группы на образовашад кислородосодержащих центров. Во-вторых, можно проверить предположения, касающиеся положения уровня si-Nno<p> центров, при компенсации электронной проводимости акцепторными уровнями радиационного происхождения.

Найдено, что концентрация парамагнитных tdd+ почти одинакова в обеих образцах (термообработанных в течение 24 и аО часов и далее подвергнутых г-облучению). Это можно объяснить двумя факторами: концентрация А-центров не должна сильно различаться при одной и той же дозе облучения и, во-вторнх, tdd явно являются доминирующими дефектами в обоих случаях.

Основываясь на йащем наблюдении, чтр концентрация компенсирующих акцепторов не сильно меняется, как после короткой, так и после длительной термообработки по сравнению с изменением интенсивности сигнала si-nlio<p>, который возрастет (в .40 раз),можно сделать заключение, что si-NLio<p> центры -не могу: быть акцепторами.

si-nlio<p> центры оказались парамагнитными ■ даже в образцах с уровнем Ферми вблизи « ес-0.03 эВ; это указывает на то, что они являются простыми донорами. Как установлено, si-hlio<p> центр но яеляэтся мелким, по крайней мере он глубже, чем уровень ес-0.06 эВ, это следует из того, что облучение термообработанных образцов не оказывает

значительного воздействия на интенсивность з1-м1ло<р> сигнала. Это находится в резком противоречии с представлением о том, что о<р> центры более мелкие, чем уровень фосфора.

Концентрация 31-м1Ло<р>, определяемая с помощью ЭПР, должна быть « Ю"см~а.

Четвертая глава посвящена исследованию энергетического спектра но, образующихся при т^600°С. Характер процессов образования термодоноров при т=600°С сильно зависит от исходной концентрации кислорода , и при 6 •10'7см~а в

энергетическом спектре то обнаруживаются только донорные состояния, очень похожие по своим свойствам на тоо, образующиеся при т^500°С.

Последовательная компенсация электронной проводимости А-центрами термообработанных образцов позволила установить, что эти термодоноры характеризуются распределением мелких донорных состояний в интервале « ее-(0.062+0.068)эВ, а также обладают более глубоким,! уровнями с энергией ионизации « е^-0.15 эВ. Анализ зависимостей пстэ указывает на рг. ленство полной концентрации мелких и глубоких донорных состояний, это означает, что они принадлежат тоэ центрам, параметры последних описаны в [12].

Принадлежность этих доноров к тоо-семейству было окончательно подтверждена также оптическими измерениями. Анализ спектров фотопроводимости показал наличие по крайней мере шести водородоподобных серий электронных переходов из основных состояний в р-состояния для ш, которые идентичны спектру нейтральных стомэ®- <тш>еэ0 по классификации [12].

Среди тш, образующихся в при т=450°С, центры том

и тооз обладают бистабильной атомной конфигурацией - в одной конфигурации они характеризуются обычным' порядком следования донорных уровней для гелиеподобного донорного центра есо^+хес+^++> , в другой - инверсией в следовании донорных

состояний и отрицательной эффективной корреляционной энергией. Переход из второй конфигурации в первую может быть реализован при межзонной подсветке образца при охлаждении. Используя эту процедуру, мы испытали донорные центры, образующиеся при т=600°С, на бистабильность. Было обнаружено, что центр tddi (как и в случае термообработки при т=450°С ) сохраняет бистабильность, в то же время центр тоге не является более бистабильным. Это, возможно, связано с наличием более сильных внутренних упругих напряжений мелких преципитатов ( не видимых в электронный микроскоп), интенсивно образующихся прй более высокой температуре термообработки (т=600°С по сравнению с т=450°С).

Сравнительное изучение кинетики образования tdd при т=4Б0°С и т=бОО°С показало, что процессы их образования при указанных температурах сильно различаются. Во-первых, имеется скрытый период формирования термодоноров при т=600°С около 25 час.; при т=450°С такой период практически отсутствует. Во-вторых, скорость формирования tdd (после скрытого периода ) составляет примерно 6 ■Ю"см~ачас~1, что на порядок величины меньше, чем скорость их образования при т=450с>С. В третьих, меняется характер распределения tdd по энергиям ионизации. Если при температурах т«450°С центр тяжести в распределении tdd заметно сдвигается при увеличении длительности термообработки в сторону tdd с большими номерами ctdd2-tdd3 до tdd4-tdd53, то при т=б00°С распределение tdd мало изменяется при увеличении длительности термообработки с 50 час. до 120 час. - в нем доминируют термодоноры с небольшими номерами

tdd2-tdd4.

Повышение исходной концентрации кислорода в cz-si до значения ■ю'7см"а при т=600°С приводи"1 к усложнению

энергетического спектра nd : наряду с tdd (» e^-q.07 эВ и * ес-0.15 эВ) проявляются другие донорные состояния с энергией

ионизации е=-С.ОЗ эВ и « е^-0.09 эВ. Последовательная компенсация мелких донорных состояний «ес-0.03 эВ акцепторами радиационного происхождения свидетельствует о том, что эти тормодоноры характеризуются распределением по энергиям ионизации в интервале « Ее-(32+38) мэВ. По мере увеличения длительности термообработки указанный интервал расширяется в сторону более мелких донорных состояний. Основываясь на компьютерном анализе кривых пст>, можно полагать, что донорные уровни « ес-(0.03+0.04)эВ и « ес-0.09 эВ принадлежат центрам ntdd, поскольку их концентрации оказались примерно равными (при расчетах, кроме того, определялся интервал возможных значений фактора вырождения мелких донорных состояний:

Анализ спектров фотопроводимости cz-si термообработанных при т=еоо°С при концентрациях кислорода **ох=В • Ю17см"э и мси=8 • 10*7см~а выявил следующие общие моменты. Во-первых, термообработка образцов с той и другой концентрацией при т=600°С приводит к заметному уменьшению интенсивности линий поглощения »517 см"1, обусловленной локальной колебательной модой v межузельных атомов кислорода '"О^ Во-вторых, метод фототермической ионизационной спектроскопии (ФТИС) позволил наблюдать сильное уменьшение интенсивности линий фотовозбуждения примеси бора (до почти полного исчезновения) при длительной термообработке (t>50 час.). При такой длительности термообработки образцы обладают электронным типом проводимости, и линии фотовозбуждения компенсирующей примеси бора могут регистрироваться только в условиях межзонной подсветки. При длительной термообработке (t> 50 час.) заметно уменьшается также интенсивность линий фотовозбуждения примеси фосфора.

Повышение температуры термообработки (до т=7СЮ°С) уже существенно изменяет процессы формирования термодоноров - даже

при короткой термообработке (1=24 час.) обнаруживаются лишь "следа" тао и основной вклад в проводимость вносят глубокие донорные состояния ~ е^-0.1 эВ и « е^-0.2 эВ, которые могут рассматриваться как настоящие мо. Их полная концентрация составляет <5«1014см"в при термообработке 20 час.<1^50 час.

Таким образом, квазинепрерывный энергетический спектр м> в действительности составной и центры той и мтои являются его компонентами. При более высоких температурах роль этих компонентов уменьшается и доминирующими становятся глубокие донорные состояния, принадлежащие более крупным скоплениям атомов кислорода, межфазным границам преципитатов, а также объемным дефектам структуры, образование которых сопровождает формирование преципитатов.

Основные результаты, касающиеся влияния изовалентной примеси германия в концентрации N^«2 •102Осм"в на образование ыо в .термообработанном при т=500°С сводятся к

следующему.

Во-первых, эффект существенного подавления процессов образования мэ при наличии примеси германия такова: при комнатной температуре концентрация электронов проводимости после термообработки и С2-51«зе> отличаются более чем в

три раза.

Во-вторых, последовательная компенсация мелких донорных состояний в термообработанном сг-зксе) глубокими акцепторными состояниями радиационного происхождения показала, как изменяется соотношение компонентой в энергетическом спектре ко при наличии примеси германия. В отличие от обычного сг-а, в рассматриваемом случае абсолютно доминирующими оказались донорные состояния « Ее-0.03 эВ и ~ Ее-0.08 эВ. тоэ центры в сг-51«зе> обнаруживаются в очень малой конценг. рации (не более нескольких 10,3см"а).

В-третьих, анализ кривых пстэ указывает на существенное

неравенство концентраций доминирующих донорных центров *ес-0.03 эВ и ~ес-0.0Э эВ (примерно в два раза). Кроме того, из сравнения концентраций этих центров в С2-51«зе> после термообработки различной длительности следует, что ринетика образования рассматриваемых то также различна. Отсюда вытекает, что указанные уровни принадлежат разным центрам.

В заключении приводятся основные выводы работы. Они сводятся к следующему:

1. При термообработке сг-&1 при т=450°0 скорость образования тоо в зависимости от исходной концентрации кислорода увеличивается по линейному закону в интервале концентрации мо1 = (б+8Н017см~э,а при 8 ■ 10"см~8 эта скорость приблизительно пропорциональна

2. Надежно установлен характер процесса формирования термодоноров в сх-й! в зависимости от длительности термообработки при т=450°С. При длительной термообработке (о50 час.) наблюдается уменьшение концентрации тоо и рост концентрации донорных центров «ес-0.03 эВ и «ес-0.09 эЕ.

3. Показано, что после термообработки при т=460°С, уровень центров 51-шло образующихся в с*-31 во всяком случае глубже, чем «ес-0.06 эВ. Центры -ыыо являются простыми донорами. Это качественно изменяет существующие модельные представления.

4. Квазинепрерывный энергетичэский спектр но, образующихся в

при т=бОО°С, в действительности является составным; установлены его компоненты. В частности, надежно идентифицированы центры тоо с уровнями » е с~0.07 эЗ и ~ес-о.15 эВ, а также донорные центры мтоо с состояниями ~ес-(0.03+0.04) эВ и «ес-0.09 эВ. Образование этих донорных центров наблюдается и при т$500°С, правда, с- существенными отличиями в кинетике формирования. Новыми в энергетическом спектре мо являются глубокие донорные состояния ~ес-0.1эЗ и ~ес-0.2 эВ, доминирующие в Сх-Э! после термообработки при

т=700°С,

5. Процесс формирования центров nd в cz-sí при т=600°С очень чувствителен к исходной концентрации кислорода. При концентрации кислорода N,„=6 • Ю17см"а ко представлены только центрами tdd. При ноя>8. ю17см"э термообработка приводит к одновременному формированию центров ntdd и tdd. Стабильность tdd оказалась гораздо выше, чем принято считать в современной литературе. Это, в свою очередь, означает, что £шмияашмм£-процедура отжига tdd при т^500°С (donor killing annealing) в действительности представляет собой их трансформацию.

6. Точечные дефекты, появляющиеся вследствие преципитации кислорода в cz-sí при т=600°С, эффективно взаимодействуют с остаточными примесями бора и фосфора (даже в концентрации менее 10"см"э), что приводит к потере электрической активности этих примесных атомов.

7. Изовалентная примесь германия в cz-si, в концентрации ~2*102осм"в при термообработке т=600°С практически полностью подавляет процесс образования tdd. Другие термодоноры с уровнями «ес-о.ОЗ эВ и »ec-0.08 эВ обнаружены в разных концентрациях, что позволяет считать их принадлежащими центрам различной природы.

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Андреев Б.А., Голубев В.Г., Емцев В.В., Кропотов Г.И., Оганесян Г.А., Шмальц К. Обнаружение двойных термодоноров в энергетическом спектре "новых доноров" в кремнии. // Письма

в ЖЭТФ. - 1992. - Т.55, B.I. - с.52-55.

2. Bntsev V.V., Oganesyan G.A., Schmalz К. Oxygen-related

thermal donors in heat-treated cz-sx. // Defect and Diffusion Porum (Trans. Tech. Publications), 1993. - V.103-105. - pp.471-482.

3. Андреев Б.А., Голубев В.Г., Емцев B.B., Кропотов Г.И., Оганесян Г.А., Шмальц К. Процессы формирования "новых

- 19 -

доноров" при термообработке кремния с различной концентрацией кислорода. // ФТП. - 1993. - т.27, в.4. -с.567-582.

4. Mellwea к., Spaeth J.-M., Emtsev V.V., Oganesyan G.A., Götz W., Pensl G. ^R/ENDOR investigation of the nature of heat treatment centers in silicon. // Abstract of 17th Int. Coni. on Defects in Semiconductors. - Austria, Gmunden, 1993. - p.30.

5. Емцев B.B., Машовец T.B., Оганесян Г.А., Шмальц К. Образование двойных термодоноров в Cz-Si с различной -.^пцентрацией кислорода. // ФТП. - 1993. - т.27, в.9. -с.1545-1548.

6. Емцев В.В., Оганесян Г.А., Шмальц К. Критическая концентрация кислорода в Cz-Si и кластеризация примесных атомов при термообработке. // ФТП. - 1993. - т.27, в.9. -с.1549-1555.

7. Bntsev V.V., Oganesyan G.A., Schmalz К. Peculiarities in the defect beha7lour in heat-treated Cz-Si with Tow and high oxygen content. // 5th Int. Autumn Meeting on Gettering and Defect Engineering in Semiconductor Technology (GADEST'93). - Germany, Kllngemuhle Chosewltz, 1993.

8. Влцев B.B., Оганесян Г.А., Ш.„альц К. "Новые доноры" в термообработанном кремнии с изоэлектронной примесью германия. // ФТП. - 1993. - т.27, в.11-12. - с.

Цитированная литература

1. Вавилов B.C., Киселев В.Ф., Мукашев Б.Н. Дефекты в кремнии и на его поверхности. - М.: Наука, 1990. - 213 с.

2. Kaiser ff., Frisch Н., Reiss Н. Mechanism of the formftion of donor states in heat-treated silicon. // Phys. Rev. -1958. - V.112, N5. - pp.1546-1554.

3. Bekman H.H.P.Th., Gregorklewlcz Т., Ammerlaan C.A.J. The

- 20 -

NT.10 thermal donor In silicon. // Defects in Semiconductors 15: Trans. Tech. Publ., 1989. - pp.601-606 (Mater.Sci. Forum, V.38-4-1).

4. Llesert B.J.H. Dr Thesis. // The University of Amsterdam -1992.

5. Halzlein K., Pensl G., Schulz M. Trap spectrum of the "new oxygen donor" in silicon. // Appl. Phys. A. - 1984. -V.A34, N3. - pp.155-161.

6. Kanamori A., Kanamorl M. Comparison of two kinds of oxygen donors in silicon by resistivity measurements. // J-. Appl. Phys. - 1979. - V.50, N12. - pp.8095-8101.

7. Веренинов А. А. Автоматизированная система "Холл -диагностика". // Алгоритмы и математическое обеспечение для физических задач. - 1985, N7. - с.150-165.

8. Erotse? V.V., Daluda VU.N., Gaworzewskl P., Schmalz K. Electrical properties of thermal donor formed in Cz-Sl during heat treatment at 450°G. // Phys.St. Sol.(a). -1984. - V.85, N2. - pp.575-584.

9. Далуда Ю.Н., Емцэв В.В., Кервалишвили 11.Д., Петров В.И., Шмальц К. Влияние термообработки на перестройку кислородо-содержащих дефектов в кремнии. // ФГП. - 1987. - т.21, B.7. - с.I283-1288.

10. Deak P., Snuder 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, N20. -pp.11612-11626 . 4

11. Емцев B.B., Оганесян Г.А., Шмальц К. Критическая концентрация кислорода в Cz-Sl и кластеризация примесных

атомов при термообработке. // ФГП. - 1993. - т.27, в.9. -с.1549-1555.

12. Wagner P., Hage J. Thermal double donors in silicon. // Appl. Phys. A. - 1989. - V.A49, N2. r- pp. 123-138.

РТ.Ч ПИЯФ,30K.534,тир.100,уч.-изд.л.0,9; 12/УШ-1993г. Бесплатно