Геттерирование и пассивация примесей и радиационных дефектов в кремнии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РГ6 од

/ 3 £03 РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

На правах рукописи УДК 621.315.592

Эмексузян Вячеслав Мелконович

ГЕНЕРИРОВАНИЕ И ПАССИВАЦИЯ ПРИМЕСЕЙ И РАДИАЦИОННЫХ ДЕФЕКТОВ В КРЕМНИИ

01.04.10 — физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Новосибирск — 1993 г.

Работа выполнена в Институте физики полупроводников Сибирского отделения РАН

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук В.В.Болотов

Официальные оппоненты-: доктор физико-математических наук А.В.Васильев

кандидат физико-математических наук Е.Г.Сальман

Ведущая организация: Сибирский фиэико-техничесхий институт им. В.Д.Кузнецова, г.Томск

I

Защита диссертации состоится 18 мая 1993г. в 15 часов на заседании Специализированного Совета К 003.05.01 в Институте Физики полупроводников СО РАН (630090, Новосибирск-90, пр. ак. Лаврентьева, 13)

С диссертацией можно ознакомиться■в библиотеке ИФП СО РАН

Автореферат разослан "!.(?."(№1993г.

Ученый секретарь Специализированного Совета доктор физ.-мат. наук, с.н.с. / А.В.Двуреченский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы. По нерв роста степени интеграции к миииатюризации элементов интегральных схем <ИС) достигаются ка только главные цели, связанные с уменьшением габаритов к кассы электронных устройств, но и снижается себестоимость, растут надежность и быстродействие, расширяются Функциональные возможности. Однако повышение степени интеграции микросхем требует обеспечения высокой степени чистоты и «овараенства кристаллической стуктуры полупроводниковых материалов, -используемых дяя производства ИС.

Особо чистые кристаллы, которые получают в настоящее - вра-мя, настолько соверпенны, что дефекты, в них не удается обнаружить с помочью обычных методов, исследования (высокоточная ран-геновска» топография и т.д.). Однако, атомы кислорода, углерода и других примесей, которые присутствуют в исходных кристаллах или вносятсй в ходе технологических обработок, в процессе производства ИС на стадии высокотемпературных термообработок (свыше ЮОО'С) образуют микроскопические дефекты и дефекты упаковки. Такие дефекты структуры и побочные примеси оказывают реиа-ющее влияние на выход годных приборов и такие.их характеристики, как токи утечки и время переключения в приборах на основе МОП и р-п-переходов, коэффициент передачи, темновой ток, кум и динамический диапазон приборов с зарядовой связью н др. Следовательно исследование дефектов в кррсталгах, механизмов и:: образования и путей сокращения дефектности имеет большое значение для производства полупроводниковых приборов и ИС.

Использование в полях ионизирующих излучений дискретных полупровцдниковых приборов' » ИС, в основе работы которых лежат явления накопления и хранения заряда, приводит к деградации параметров таких приборов за счет возникновения в приповерхностных слоях полупроводника активных генерационно-рекомбинационных центров, в состав которых входят вакансии, собственные нес-доузельные атомы, примеси. Эти центры увеличивают темновые токи и шумы, уменьшают время жизни носителей заряда.

Поскольку практически важным объемом криста«ла для Функционирования почти всех полупроводниковых приборов (за искличани-ем солнечных батарей и некоторых силовых приборов) являзюп приповерхностный слой пластины толщиной несколько микрометров, то для бездефектной технологии и для повышения стабильности па-

раметров приборов к последующим воздействиям внешних факторов представляется актуальным поиск путей подавления образования дефектов именно в данных областях кристалла.

Возможными вариантами повышения радиационной стабильности параметров полупроводниковых приборов являются к^к снижение скоростей введения вторичных радиационных дефектов в приповерхностных слоях посредством геттерирования примесей и первичных подвижных дефектов (компонентов пар ♦ренкеяя), так н подавление электрической активности вводимых при облучении вторичных дефектов (пассивация). Рассмотрение некоторых путей реализации этих возможностей посвящена данная работа.

При этом под геттерированием понимается процесс очистки актняних областей от нежелательных дефектов и примесей в результате их пространственного переноса к областям закрепления (геттерам), а под пассивацией - подавление их электрической активности внутри активных областей в результате взаимодействия с другим подвижным химическим элементом.

гидрогенизации на процессы дефектообразования в приповерхностных слоях кремния при воздействии ионизирующего излучения, для чего предполагалось ревить следующие задачи:

1. Исследовать влияние термических и радиационных воздействий на перераспределение примесей с глубокими уровнями в слоях кремния вблизи границ раздела SiOz-Si, epi-Si-Si, a-Si-Si.

2 Изучить влияние внутренних геттеров на дефектообраэова-нле и изменения генорационно-реконбинационных параметров кремния с цель» повышения радиационной стойкости полупроводниковых приборов.

3. Исследовать поведение водорода в гидрогениэированных структурах при облучении легкими и тяжелыми частицами и возможность пассивации радиационных дефектов во время облучения.

4. Получить структуры на кремнии с повывенным содержанием водорода с помочь» имплантации протонов и исследовать деФекто-образование в таких структурах.

1. Изучено перераспределение быстродиффундирующих примесей с глубокими уровнями (Аи, Си) при радиационных и термических воздействиях в структурах с различными границами раздела. Обнаружен эффект радиационно-стимулированного геттерирования золота

являлось изучение влияния геттерирования и

в структурах на основе ЗЮг-Э!, а-31-31 в условиях облучения прм повышенных температурах (150*С).

2. Обнаружена повышенная концентрация золота 96 внутренних областях эпитаксиального кремния удаленных от внепней к внутренней границы раздела.

3. Показано, что при облучении в НОП-структурах, изготовленных на кремнии с внутренними геттерами при малых дозах облучения наблюдается увеличение генерационк^х времен неосновных носителей.

4. Обнаружено, что в приповерхностных слоях кремния п?д1 химических обработках (травление в растворах кислот, щелочей и т.д.) изменяется состояние дефектов и распределение глубоких уровней, связанных с присутствующими в кремнии атомами золота, меди, серебра.

5. Показана возможность подавления прыжковой проезяиместе при низких температурах в сильно легированием кремнии р-типп с помощью пассивации мелкой примеси атомарным водородом.

6. Обнаружено, что при облучении электронами к нейтронами происходит освобождение атомарного водорода кэ связанных форм и пассивация вводимых облучением радиационных дефектов ках точечных, так и в РО, а также присутствующих в кристалле примесей и дефектов.

Практическая значимость работы.

1. На основе полученных данных по перераспределению атомоз золота в приповерхностных слоях кремния в многослойных структурах предложен способ радиационно-стинуяированного генерирования примесей тяжелых металлов.

2. Предварительная гидрогенизация кремния, уменькаюцап скорость введения вторичных радиационных дефектов, а также термообработки с целью введения геттеров, увеличивающих величины и стабильность генерационных времен, могут быть использованы каг методы повышения радиационной стойкости полупроводниковых приборов.

3 Полученные данные о возможности блокирования прыжковой проводимости по примесной зоне при низких температурах с помощью гидрогенизации кремни* р-типа были использованы для создания Фоточувствительных линеек ИК-иэлучения иа основу В1В-структур.

Результат« исследовании, выполненных в рамках данной рабо-

ть били передана для использования предприятиями электронной

ПРОМЫЗАСННОСТИ.

Положена и рдяультдтм. винппнннв на яядиту

1. В сис.ьиах термический окисел-кремний, разупорядоченный кремний-монокристаллическйй кремний происходит радиационно-сти-мулированное гэттернрование золота вблизи границ раздела.

2. внутренние гетторы, введенные при многоступенчатых термических обработках повывают стойкость генерационных свойств материала к воздействию радиационных полей, что, по-видимому, обусловлено генерированием дефектов междоузельного типа.

3. Облучение электронами и нейтронами предварительно гид-рогекнзированногс кремния приводит к освобождение подвихного атомарного водорода нз связанных форм (пары акцептор-водород, деФэкт-водорзд. На, и др.) и пассивации как вводимых облучением точечные радиационных дефектов и РД в РО, так и присутствующих з tpuüT£.-j?a прчмесвй и дефектов.

4. При химических обработках (травление в фторсодержащих растворах кислот и т.д.) происходит взаимодействие проникающих aíossoD фтора с атомами золота, меди и серебра с образованием спадавших к поверхности концентрационных профилей известных глубоких уровней связанных с их присутствием в кремнии, что обусловлено пассивацией этих примесей металлов атомами фтора.

Апробаиис работы и публикации -

Основные результаты диссертационной работы были Представлены и обсуждались на Республиканских, Всесоюзных и Международных конференциях, научных семинарах, в том числе: на Республикански х еелинерах (Киев, 1985, 1987* 1968, 1989, 1991), на Всесоюзном совещании "Радиационная физика полупроводников." (Новосибирск, 1987, 1989, 1991), на Симпозиуме по микроэлектронике в рамках двухстороннего сотрудничества АН СССР и АН ГДР (Минск, 1988), ь-а V межотраслевом семинаре "Проблемы создания полупроводниковых приборов, ИС и РЭА на их основе, стойких к ВВФ (Петрозаводск, 1991), на II Всесоюзной конференции "Фотоэлектрические явления в полупроводниках" (Ашхабад, 1991), на III и IV Мггдународных конференциях "Gettering and Defect Enginesring in the Seiiiconductor Technology" - GADEST (Фран-кфурт-на-Одере, 1989, 1991), на Международной конференции "Science and Technology of Defect Control in Seniconductors" (Иокогама, 1989), на 8 Международной конференции "Ion Bean

Hodifi.cati.on оГ Наквг1а1з" (Гайдольберг,1992).

Основные материалы диссертации изложены в 21 работе, з т.ч. получено 3 авторских свидетельства на изобретения.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, выводов, заключения и библиографического.списка из-219 накнзнова-ний. Содержит 171 страницу текста, 01 рисунок на 39 страницах, 7 таблиц.

По прялрнии обоснована актуальность тени исслодогакЯ,: Сор-мулируется цель работы, научная новизна, практическая гяачя-мость полученних результатов, приводятся пологення виноскжэ на защиту и дается краткая характеристика диссертационной работа.

Первая глдпа содержит обзор теоретических и экспериментальных исследований по геттерироизнкю и пассисации пркмэсеЯ и радиационных дефектов В кремнии, необходимых для нзлояенка.ерч-гинальной части работы.

Анализируется Физические процесса, которое делат в основ'! геттерирозания нежелательных при!«есяй к де?>актоа:

1) освобождение примесей или разложение поотягонннт: де*г"> тов на составные част;:;

2) диффузия примесей или собстеетшх хеххоузолькиу. - атс:г.'.: кремния к области их захвата;

3) поглощение примеси или собственных мездоуз'здьгкгх ауотг-некоторым стоком, достаточно ¡гдмвнви от криттсэс^о'? (г'Ооч?.:> области пластины.

Приведены современные данные о механизмах гяттарйоог>.>5«хг: ' пассивации примесей и дефектов, рассмотрены • езнозяыэ гвте.г.'-геттерирования и пассивации и выполнен срзвнмтаяышЯ анадмя г-г эффективности для различных прнкесей и дефехтоз, з том число радиационных дефектов в кремнич.

Исходя из анализа существующих о литература работ, сфопму-лироваки основные задачи, которые решались з диссертация.

полученных результатов.

?, работе использовались образцы кремния, ках п-типа, легированные фосфором, так и р-типа легированные бором или галлием. Материал п-типа представлял собой кремний выраженный методой

СОДЕРЗАНИЕ РАБОТЫ.

описаны методики исследований п обработки

Чохральского, марки КЭФ с удельным сопротивлением р=0,27-20 Ом.см и кремний зонной плавки марки БКЭФЗ-З.О, легированный золотом из расплава. Материал р-типа выращенный методом Чохраль-ского, боэдислокационный кремний марки БКДБ с р=7-12 Ом.см, КДБ с ^=0,05-20 0>!. см, а также кремний марки КДГ с р-0,0&т-5 Ом. см, выращенный как методом Чохральского, так и зонной плавки. Использовались такао элятаксиалышо слои п-тила, легированные фосфором, выращенные методом газовой эпитаксии на сильнолегированных сурьмой подлоаках кремния с р-0,01 Ом.см.

В данной работе использовались три способа гидрогенизации кремнии: введение атомарного водорода путем выдержки кремния в кипящей дистиллированной водо в темноте в течение 1=1-100 ч; имплантацией ионов водорода с последующим отжигом; а также обработкой в плазме ВЧ-разряда (13,56 МГц) со сродней мощностью нахачки 0,08 Вт/см5* в течение 1=1 ч при температурах 100 и 150*С. При этом плазма заангалась периодически в течение 11=45 мс, пос^о этого хсмора с пластинами откачивалась до высокого вакуума в течение времени Ъг=250 мс, а затем опять напускался водород и зажигалась плазма. Эффективное время действия плазмы водорода 1>«=0,15 ч.

Облучение электронами проводилось на циклическом ускорителе типа "Ыикротрол", изготовленного в Институте физики полупроводников СО РАН. Параметры ускорителя: энергия электронов - 3,5 МэВ, средняя плотность тока. ¿=0,005-1,0 мкЛ/смг, частота следования импульсов 100'Гц, длительность импульса 3 мкс. Облучения проводились при комнатной температуре и при Т=150"С.

Облученне быстрыми нейтронами проводилось дозами (3-20)х10*2 см-г при комнатной температуре.

Имплантация протонов осуществлялась дозами (1,2-12,5)х1013 см-= с энергиями 400; 300; 200 и 100 кэВ при Т=300 К.

Имплантация ионов бора н аргона осуществлялась с энергиями Е=20-100 кэВ - дозами Юч-ЗхЮ" см-г.

Концентрационные профили ионизованной примеси определялись по измерениям вольт-фарадных (С-У) характеристик диодов Шоттки, профили концентрации центров с глубокими уровнями и их параметры определялись с использованием различных модификаций метода РЫБ. Зависимости генерационных времен от глубины в диодах Шоттки определялись из измеренных вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик этих диодов, а в МОП-структурах определялись мо-

дифицированннм методом Пиррота.

Концентрации хнсгорода и углерода опрадолялись нэ иэнвро-ний ИК-поглог,ония D дмффзренциплыюм pssmio на дпухлучспом спектрофотометре Specord-751R.

Измерения про$илеЛ полной концентрации золота мэтодом SIMS (выполнены Ü.Траппом) -проводились с использованием Сз в качестве первичных иолов.

Также в работе попользовали ¡¡зморэкая мдьт-ампершгх характеристик полупроьоднняоиих структур пгя вркогениих температурах, спектральные зависимости фотопроводимости и рокскбинаци-онных времен знзни по спаду Фоопроподккостн.

¡3 г .»яде 3 приведены данп.чо исслсдолонт! поведения атомов золота и мади в структурах на ochoso крайний вблизи различных границ раздела (SÍO2-SÍ, opi-Si-Si, аиор1тш.1 Si-Si и др.) н влияния внутренних геттеров «а дофзктообрагованнв в кремнии и на параметры структур, изготовленных на ого основе при электронном и нейтронном облучении.

При исследовании профилей концентрации золота после проведения диффузии в структурах GiOï-Si обнаружен рост концентрации золота к границе раздела. При облучении наблюдается увеличение концентрации узлового золота при дозах 10la-101<5 см-2, что связывается с наличием неактивной ¡¡ездоугплыгой компоненты Aui и ое раЬтвореиием в вакансиях. Как показали изиерания методом SIHS, рост дозы облучения приводит к китеснешто Au в мехдо-узельное положение и уход Aui к гетторируечой границе SÍO2-SÍ, вблизи которой золото эффективно зпхвативается, т.е. наблпдаетя радиационно-стимулированное. генерирование золота границей раздела SÍO2-SÍ с последующим, при больших (>101в см~2) дозах облучения, проникновением золота в S Юг. Максимальное количество Au (N = 1,2x104 см~2) геттерируется границей SÍO2-SÍ при дозе электронов Ф=101» см~2. Проведенные оценки показывают, что для обеспечения такого роста концентрации Au необходимо, чтобы золото перераспределилось из слоя толщиной d=10-15 мкм (коэффициент диффузии золота D=10-B см2/с).

Б эпитаксиальных слоях, выращенных на сильнолегированных сурьмой подложках кремния, после создания р-п-переходов и диффузионного легирования золотом, обнаружено, что концентрация золота Hau, начиная с глубины h=2 мкм от границы р-п-перехода, увеличивается и достигает максимума вблизи середины epi-слоя.

При облучении при температуре 15СРС вблизи середины ерз.-слоя наблюдается резкий рост концентрации электрически активного золота при дозах облучения до 1013 см~2, при дальнейшем облучении концентрация золота уманьсаетсп. Вблизи границы раздала р-п-парехода концентрация золота при облучении до дозы Ф=101'* см-2 слабо увеличивается, а при дальнейшем облучении уменьшается.

Наблюдаемая в эпитаксиальных слоях кремния повыпенная концентрация золота в ор1-слое в точках, удаленных от внешней и онутренней границы раздела, связывается с образованием скоплений собственных междоузлий при охлаждении структур после диффузии Аи.

Приведены данные исследований поведения таких примесей, как золото и медь, вблизи границы раздела аморфный кремний-кремний (а-Бх-Б!) и разупорядоченный кремний-кремний (Б1*-31), при облучении электронами при Т=300-420 К.

Границы раздела а-Зх-Б1, Бл^-Б! создавались при комнатной температуре имплантацией ионов 'Аг* с энергией Е=60-70 кэВ, дозами Ф=ю10 и 101« ионов/см2, соответственно.

Показано, что изменения концентрации золота (убыль) под аморфным слоем больше, а меди (увеличение концентрации при облучении) под аморфным слоем меньше, что можно объяснить генерированием золота и меди аморфным слоем.

Исследования, проведенные для изучения поведения атомов Аи и Си вблизи границ раздала Б^-Б! и естественный БЮ2-Б1 показали, что в пределах ошибки измерений (10-15 £) нет различий в поведении меди при облучении, в отличие от золота, концентрация которого вблизи границы раздела Б^-Б! выше по сравнению со случаем границы естественный БЮг-Бх, начиная с глубины Ъ=4 мкм, что связано, по-видимому, с тем, что введенные имплантацией аргона напряжения растяжения увеличивают растворимость золота вблизи границы раздела поскольку тетраэдрический радиус у атомов золота больше, чем у атомов кремния.

Представлены результаты по влиянию облучения на генераци-онно-рекомбинационные параметры МОП-структур, изготовленных на пластинах кремния проведших многостадийные геттерирующие термообработки. После термообработок проводилось окисление пластин в сухом кислороде при Т=1000'С до толщины окисла <1=500 А и создавались МОП-структуры с молибденовыми затворами, наносимыми с

помощью магнетронного распыления. Изготовленные МОП-структуры облучались при комнатной температуре без подачи смешения (затвор был закорочен с подложкой) электронами и нейтронами.

Для МОП-структур, изготовленных на основе кремния р-типа, не наблюдается существенной зависимости изменения генерационного времени от вида геттериругсцих термообработок, в отличие от структур, изготовленных на кремнии п-типа, в которых генерационные времена увеличиваются при облучении малыми дозами электронов. В то же время для структур, подвергнутых только высокотемпературному (115СГС) отжигу, наблюдается уменызение

При облучении нейтронами Ьв падает для всех МОП-структур, за исключением структур на основе пластин кремния, которые не проходили высокотемпературную обработку (Т=1150"С) и преципитаты кислорода присутствуют по всему объему, в том числе и в приповерхностных слоях. В этих структурах как при электронном, так и при нейтронном облучении увеличивается во всем диапазоне доз облучения.

Поскольку в целом скорость введения радиационных дефектов вакансионного типа в термообработанных структурах не уменьпает-ся, а в ряде случаев даже растет, в то же время коэффициент радиационного изменения генерационного времени в структурах с внутренними геттерами мал, то по-видимому происходит генерирование дефектов мехдоузельного типа преципитатами кислорода.

сов пассивации примесей и дефектов при химических обработках, регенерации атомарного водорода и пассивации примесей и радиационных дефектов при нейтронном и электронном облучении кремния с предварительно введенным водородом.

Обнаружено, что при химических обработках в растворах кислот на основе НК:НН0э, в растворах КОН, при снятии окисла в № при различных температурах, а также гидрогенизации кремния, концентрационные профили известных уровней, связанных с присутствием в приповерхностных слоях кремния примесей металлов I группы (Аи, Си, Ай), видоизменяются и вводяться новые уровни.

При обработке в растворах на основе № концентрации известных уровней Аи, Си, Ай в приповерхностных слоях кремния толщиной 1-10 мкм уменьиаются, а в случае Б1:Аи кроме этого образуется новый донорный уровень, связанный с золотом (Ес-0,21 эВ), с Эп=5х10-15 см-2 и температурой отжига Т=475 К. Концентрация

описаны результаты исследования процес-

дефекта с уровнем Ес-0,21 эВ растет б глубь кристалла и коррелирует с концентрацией уровня Ес-0,54 эБ (сумма концентраций уровней Ес-0,54 зВ и Ес-0,21 эВ в каждой точке по глубине равна исходной концентрации золота). При травлении в КОН концентрации известных уровней золота и меди постоянны по глубине и равны исходным и новых уровней не образуется, в отличие от 31:Ай, в котором наблюдается новый уровень Ес-0,54 эВ, который спадает вглубь кристалла и коррелирует с уровнем Ай Ес-0,20 эВ. Гидрогенизация кремния приводит к пассивации всех наблюдаемых глубоких уровней, связанных с примесями Аи, Ай и Си в Б1.

Полученные результаты свидетельствуют о проникновении примесей (по-видимому, фтора и калия) в кремний при химических обработках во Фторсодерхацих и щелочных травителях и образовании дефектных комплексов с атомами металлов I группы (Аи, Си, Ай) на глубинах 1-10 мкм.

Представлены результаты по исследованию возможности с помощью гидрогенизации снижения степени компенсации, формирования высокооиных слоев и подавления прыжковой проводимости в структурах на сильно легированных бором и галлием кремнии, а такге по определению электрофизических и фотоэлектрических характеристик В1В-структур, созданных с помощью пассивации мелкой примеси водородом.

На сильнолегированном галлием (1017-5х1017 см-3) кремнии пассивацией мелкой примеси атомарным водородом создавались структуры с блокированной прыхховой проводимость» (В1В-структу-ры). Пассивация галлия проводилась двумя способами: обработкой в низкознергетической водородной плазме и в кипящей дистиллированной воде. Получены блокирующие слои с толщиной 0,5-3 мкм и с остаточной концентрацией Но»=101О-101В см'3.

На созданных В1В-структурах измерялись температурная зависимость темновой проводимости и вольт-амперные характеристики в диапазоне температур Т=4-50 К темновые и при освещении излучением абсолютно черного тела (АЧТ) (ТаЧт=300 К), спектральные зависимости фотопроводимости в диапазоне длин волн 4-20 мкм при прямых и обратных напряжениях 1-15 В (Ти»м=8 К).

Получено, что темновые токи в В1В-струхтурах при напряжении на блокирующем электроде -1В достигали величин 10-11 А/см2 (токи Фотосопротивления для того же уровня легирования 10~4 А/смг, Ти»м=15 К). Анализ температурной зависимости проводимос-

ти в!в-структур показал, что в диапазоне Т=10-30 К она носит активационный характер с Е==9 мэВ и проводимость осуществляется по прыжковому механизму. Определена термическая стабильность структур.при изохронном отжиге в интервале температур Т=400-600 К. Из измеренных световых ВАХ определена ампер-ваттная чувствительность В1В-структур, которая составляла величину порядка одного ампера на ватт и зависела от технологии изготовления. Из спектров Фотопроводимости определены для В1В-структур на Б1:0а максимум фоточувсвителыюсти и длинноволновая граница области спектральной чувствительности, которая сдвигалась в сторону меньших энергий при подаче отрицательного смещения на блокирующий слой. При подаче положительного смещения на блокирующий слой наблюдается линейная зависимость фотоотклика от величины напряжения на блокирующем слое, а в случае отрицательного суперлинейная зависимость, при чем величина сигнала в этом случае была в 2-10 раз больше, чем при положительном смещении.

Приведены результаты изучения влияния предварительной гидрогенизации и термических обработок на процессы дефектообразо-вания в кремнии п- и р-типа при облучении быстрыми нейтронами и электронами.

Показано, что при облучении предварительно гидрогенизиро-ванных структур наблюдается эффект регенерации атомарного водорода из молекулярной и других связанных неактивных форм (пары мелкий акцептор-водород, и др.) под действием факторов нейтронного и'электронного облучения (ионизация, подвижные дефекты). Гидрогенизация кремния как п- тах и р-типа приводит к снижению эффективной скорости введения радиационных дефектов (РД) и уменьшению деградации генерационных времен при нейтронном и электронном облучении. При этом в случае нейтронного облучения происходит пассивация как одиночных радиационных дефехтов, так и РД в области разупорядочения. Эффективность"пассивации РД в кремнии п-типа выше, чем в кремнии р-типа, что объясняется конкуренцией по захвату атомарного водорода радиационными дефектами и акцепторной примесью в последнем случае. В зависимости от метода и длительности гидрогенизации с увеличением дозы облучения эффективность пассивации радиационных дефектов ослабляется.

Представлены результаты исследования изменения концентрации мелких и глубоких центров, а также генерационно-рекомбина-ционных параметров кремния имплантированного водородом и под-

воргнутому отжигам при температурах до 600'с. Получены структуры с повышенным содержанием водорода в активных областях и исследовано дефектообразование в этих структурах при облучении нейтронами.

Похазано, что при нейтронном облучении кремния п- и р-ти-па, имплантированного ионами водорода, с последующим отжигом при 500-800"С наблюдается пассивация как дефектов и примесей, присутствующих в кристалле, так и введенных облучением радиационных дефектов подвижными атомами водорода, регенерированного при облучении из связанных Форм (пар мелкая примесь-водород, дефект-водород, На и т.д.) под действием факторов нейтронного облучения. При этой пассивация радиационных дефектов и снижение эффективной скорости их введения наблюдается на глубинах, превышающих проекционный пробег ионов водорода, и с увеличением дозы имплантированного водорода эти глубины увеличиваются.

В заключении с учетом содержания изложенной работы делается вывод о том, что использование методов генерирования и предварительной гидрогенизации имеет определенные перспективы для снижения эффективной скорости введения вторичных радиационных дефектов в кремнии и повышения радиационной стойкости полупроводниковых приборов, изготовляемых на его основе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Показано, что в системе кремний-термический окисел при облучении электронами при Т^.150*С золото диффундирует к границе раздела 81.02-21, вблизи которой геттерируется, т.е. наблюдается радкационно-ускоренное генерирование Аи границей раздела.

При облучении кремния легированного золотом небольшими (<5х101« см-2) дозами происходит рост концентрации золота в узловом положении, что связано с наличием неактивной меадоузель-ной компоненты золота и растворением Аих в радиацинно-введенных вакансиях. Максимален эффект вблизи границы БЮг-Зп., где количество неактивного золота вьгае, чем в объеме.

2. После облучения электронами кремния, легированного золотом и медью, концентрация этих примесей в приповерхностных слоях кремния вблизи границы раздела меньше, чем в случае свободной поверхности кремния, покрытого естественным окислом, что, по-видимому, связано с эффектом растворения примесей Аи и Си в слое аморфного кремния.

В структурах раэупорядоченный кремний - монокристаллический кремний после облучения электронами концентрация золота в приповерхностных слоях кремния вблизи границы раздела больва, чем в случае свободной поверхности кремния, что объясняется наличием растягивающих механических напряжений, частично релаксн-рующих при геттерировании атомов золота и точечных дефектов вблизи границы раздела.

3. После легирования золотом эпитаксиальных слоев кремния, выращенных на подложках сильнолегированного кремния, наблюдается повышенная концентрация золота в эпитаксиальных слоях в точках, удаленных от вневней и внутренней границы раздела, что связано с образованием скоплений собственных междоузлий во внутренних областях этих слоев при охлаждении.

4. Показано, что внутренние геттеры (преципитаты кислорода), введенные в ходе многоступенчатых термических обработок снижают деградацию генерационных времен в МОП-структурах при электронном и нейтронном облучении, что вероятно обусловлено геттерированием дефектов междоузельного типа.

5. При химических обработках (травление в растворах фтор-содержацих кислот и щелочей и т.д.) происходит пассивация атомов зелота, меди и серебра за счет их взаимодействия с проникающими атомами фтора и образование спадающих к поверхности концентрационных профилей известных уровней, связанных с присутствием в кремнии примесей этих металлов.

6. Гидрогенизация сильнолегированного кремния

см-3) приводит к образованию слоев с подавленной прыжковой проводимостью по примесной зоне. В зависимости от степени легирования, способа, температуры и длительности гидрогенизации получаются слои толщиной (1=0,3-3,0 мкм и с остаточным уровнем легирования мелкими акцепторами Ност=1015-101в см~э.

В В1В-структурах, изготовленных пассивацией мелкой примеси водородом, плотность темновых токов составляет ~10_11 А/см2 при Т=15 К.

7. При облучении предварительно гидрогенизированных структур на основе кремния как п- так и р-типа наблюдается эффект образования подвижного атомарного водорода из молекулярной и других связанных неактивных Форм под действием факторов нейтронного и электронного облучения (ионизация, подвижные дефекты), что приводит к снижению эффективной скорости введения ра-

диационных дефектов. При этом в случае нейтронного облучения происходит пассивация как одиночных РД, так и РД в области ра-зупорядочения.

b. Эффективность пассивации РД в предварительно гидрогени-зированных слоях кремния n-типа выше, чем в кремнии р-типа, что объясняется конкуренцией по захвату атомарного водорода радиационными дефектами и мелкой акцепторной примесью в последнем случае.

9. Облучение нейтронами кремния как п- так и p-типа, предварительно имплантированного протонами, с последующим отжигом при Т=500-600'С, приводит к пассивации подвижными атомами водорода как дефектов и примесей, присутствующих в кристалле, так и вводимых РД. При этон пассивация РД и снижение эффективной скорости их введения наблюдается на глубинах, превываюцих проекционный пробег ионов водорода.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Болотов Б.В., Спиридонов В.Н., Эмексузян В.М. Влияние химической обработки на состояние золота в приповерхностных слоях кремния. - Поверхность. Физика, химия механика, 1988, вып.8, с.49-53.

2. А.с. 1313254 (СССР). Способ генерирования атомов тяжелых металлов и дефектов в полупроводниках / Ъ.Д.Ахметов, Б.В.Болотов, П.Гаворжевски, Г.Рихтер, Л.С.Смирнов, К.Шмальц, В.М.Эмексузян. - Опубл. в Б.И., 1G88, N 10.

3. Болотов В.В., Спиридонов К.П., Эмексузян В.М., Шмальц К., Рихтер К. Перераспределение примеси золота в структурах SiÛ2-Si при радиационных воздействиях. - В сборнике тезисов докладов Симпозиума по микроэлектронике (в рамках двухстороннего сотрудничества АН СССР и АН ГДР), Минск, 28 ноября - 2 декабря 1988. - М.: ИОФ АН СССР, 1938, с.32-34.

4. Ахметов В.Д., Болотов В.В., Готманова В.В., Блык З.П., Эмексузян В.М. Деградация МОП-структур, легированных золотом, под действием электронного облучений. - Электронная техника. Серия 2, Полупроводниковые приборы, 1989, вып.З,

c.93-96.

5. Bolotov V.V, Eneksusyan V.M., Spiridonov V.N., Schmalz К., Trâpp H. Radiation-induced redistribution of gold in SiÛ2-Si structures. - Phys, Stat. Sol. (a), 1989, V.113, К

- IB -

2, p.315-320.

6. Bolotov V.V., Eneksuzyan V.M., Stuchinski V.A. Defact fornation and inpurity redistribution due to the electric field and elastic stresses in interface regions. - Solid State Phenonena, 1989, V.6/7, p.221-234.

7. Bolotov V.V., Efrenov M.D., Eneksuzyan V.M., Stuchinski V.A., Schnalz K. Defect fornation and inpurity redistribution near interfaces in silicon. - In: Defect control in seniconductors. K.Sucino (ed). Elsevier Selene* Publishers B.V. (North-Holland), Ansterdan 1990, p.399-408.

8. Болотов В.В., Спиридонов В.Н., Эмексузян В.М. Перераспределение атомов золота в кремнии вблизи границ раздела Si-SiOa при электронном облучении. - Поверхность. Физика, химия, механика, 1990, вып.2, с.113-116.

9. Болотов В.В., Камаев Г.Н., Феофанов Г.Н., Эмексузян В.М. Формирование структур с блокированной прыхковой проводимостью гидрогенизацией кремния, легированного галлием. ФТП, 1990, Т.24. вып.10, с.1697-1704.

10. Болотов В.В., Камаев Г.Н., Карпов А.В., Феофанов Г.Н., Эмексузян В.М. Фоточувствительные элементы на В1В-структу-рах, полученные пассивацией легирующей примеси водородом. -В сборнике: Фотоэлектрические явления в полупроводниках. Тезисы докладов II научной конференции 23-25 октября 1981г. Ашхабад: Ылым, с.263.

11. Bolotov V.V., Efrenov H.D., Eneksuzyan V.M., Schnalz К. Defects and inpurities in nulti layer structures on Si: The role of nechanical stresses in gettering of defects and inpurities by intrinsic and extrinsic grain boundaries. -Solid State Phenonena, 1991, V.19/20, p.13-26.

12. Bolotov V.V., Eneksuzyan V.M., Shorin A.M., Schnalz K., Babanskaya I. Redistribution of gold atons in epitaxial silicon layers during the electron irradiation. - Phys. Stat. Sol. (a), 1991, V.125, N 1, Р.К1-К5.

13. Bolotov V.V., Eneksuzyan V.M. Defect engineering of silicon with reliable generation paraneters by neans of nulti-step annealing. - In: Abstract Book of Materials Research Society 1992 Spring Meeting in San Francisco, USA, April 27 - May 1, p.Ell.49.

14. A.c. 1649974 (СССР) от 05.05.88. Способ изготовления фото-

чувствительного элемента для инфракрасной области спектра/ В.В.Болотов, Г.Н.Камаев, В.М.Эмексузян. - (Разрешение СО РАН от 28.1£.92).

15. A.c. 1648975 (СССР) от 11.05.88. Способ изготовления фоточувствительного элемента для инфракрасной области спектра/ В.В.Болотов, Г.Н.Камаев, В.М.Эмексузян. - (Разрешение СО РАН от 29.12.82).

18. Болотов В.В., Плотников Г.Л., Эмексузян В.К., Шмальц К. Пассивация радиационных дефектов в гидрогенизированных слоях кремния при нейтронном облучении. - ФТП, 1992, Т.26, вып.7, с.1295-1299.

17. Bolotov V.V., Eneksuzyan V.M., Plotnikov G.L., Vologdin E.H. Radiation defects passivation in prelininary hydrogen-inplemted silicon. - In: Abstract Book' of Eighth International Conference on Ion Bean Modification of Materials. Heidelberg, Gernar.y, Septenber 7-11, 1892, p. 143.

18. Bolotov V.V., Eneksuzyan V.M., Plotnikov G.L., Vologdin E.H. Radiation defects passivation by neutron irradiation of hydrogen-inplanted silicon. - Huclear Instruments and Methods in Physics Research, 1892, V.B

19. Bolotov V.V., Eneksuzyan V.H-., Plotnikov G.L., Volo&din E.H. Negative differential resistance in proton-bean aodified silicon. - Huclear Instruments and Methods in Physics Research, 1992, V.B

20. Bolotov V.V, Eneksuzyan V.M. Influence of chetiical treatnents on state of I group impurities in near-surface regions of silicon. - In: Abstract Book of Materials Research Society 1993 Spring Meeting in San Francisco, USA, April 13 - 17, P.Y8.5.

21. Bolotov V.V., Eneksuzyan V.M., Plotnikov G.L., Schnalz К. Atonic hydrogen regeneration and defect passivation in hydrogenated silicon under neutron irradiation. - Phys. Stat. Sol. (a), 1993, V.136, N 2, p.