Изменение состояния легирующих примесей в кремнии при взаимодействии с радиационными дефектами и водородом

Камаев, Геннадий Николаевич

Изменение состояния легирующих примесей в кремнии при взаимодействии с радиационными дефектами и водородом тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Камаев, Геннадий Николаевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Новосибирск МЕСТО ЗАЩИТЫ

1998 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.10 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Изменение состояния легирующих примесей в кремнии при взаимодействии с радиационными дефектами и водородом»

Автореферат диссертации на тему "Изменение состояния легирующих примесей в кремнии при взаимодействии с радиационными дефектами и водородом"

академия наук российской федерации сибирское отделение

Об^едФ&нный Институт физики полупроводников 1 ц ДЕК 1998

На правах рукописи

Камаев Геннадий Николаевич

Изменение состояния легирующих примесей в кремнии при взаимодействии с радиационными дефектами и

водородом

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

НОВОСИБИРСК-1998

Работа выполнена в лаборатории «Радиационной стойкости полупроводников и полупроводниковых приборов» ИФП СО РАН и лаборатории «Физики полупроводниковых структур» ИСМЭ СО РАН

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

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Г.И.Геринг

Ведущая организация: Сибирский физико-технический институт им. В.Д.Кузнецова

Защита состоится «а 2 » декабря 1998г. в «-16.30» часов на заседании диссертационного совета К 064.36.03 при Омском государственном университете (644077, г.Омск, пр.Мира, 55А)

Автореферат разослан « го _» ноября 1998г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат физико-математических наук, с.н.с В.Ф.Стась

к.ф.-м.н., доцент

В.Н.Сергеев

общая характеристика работы.

Актуальность проблемы. Повышение степени интеграции ИС с одновременным увеличением площади кристалла, увеличение быстродействия и снижение энергоемкости приводят к ужесточению требований к качеству кремииевых пластин, диктуют поиск новых технологий в микро- и наноэлектронике. Многие свойства полупроводников зависят от того, в какой степени реальные твердые тела отклоняются от "идеальных" структур. Введение примесей и радиационных дефектов определяет физические свойства кремния, позволяет управлять параметрами полупроводниковых приборов и широко используется в современной микроэлектронике [1]. В то же время дефекты могут играть и отрицательную роль, ухудшая параметры п\п приборов. Неконтролируемые примеси кислорода, углерода, водорода и другие, присутствующие в исходных кристаллах или вносимые в ходе технологических обработок в процессе производства полупроводниковых приборов, оказывают решающее влияние на их характеристики и, соответственно, процент выхода годных изделий. Поэтому изучение природы и свойств дефектов является одним из основных направлений современной физики полупроводников.

Каждое воздействие определяет новое равновесное состояние кристалла, которое достигается через взаимодействие дефектов [2]. В приборных структурах электрическая активность дефектов определяется: типом дефекта, взаимодействием друг с другом и с примесями, расположением дефекта по отношению к активным областям прибора, особенностям технологического процесса изготовления прибора. Однако, большинство дефектов, созданных внешним воздействием, термически неустойчиво, а состояние системы в этом случае является неравновесным [3].

Изучение процессов восстановления равновесного состояния в полупроводниках, которое имеет место при термической диссоциации (отжиге) нарушений, дает важные результаты для физики реальных кристаллов. Особый научный и практический интерес при этом представляет изучение релаксационных процессов в исходно неравновесных кристаллах и структурах при генерации точечных дефектов и ионизации в условиях низких температур, в частности, образование междоузельного компонента легирующей примеси. Предполагая, что взаимодействие собственных междоузельных атомов с примесями является следствием неравновесности системы кристалл-примесь в условиях облучения [4], следует ожидать

протекание этой реакции при радиационных обработках в кристаллах кремния с концентрацией примеси в узлах выше равновесной при температуре облучения.

Успехи физики твердого тела и физического материаловедения в значительной мере связаны с успехами в наших представлениях о природе, атомной структуре дефектов. Однако, и в настоящее время многие детали, касающиеся взаимодействия примесей и дефектов при низких температурах и в условиях неравновесности, остаются неясными. Связано это с многообразием типов дефектов и возможных вариантов их взаимодействия между собой и с примесями [3]. Эффективным методом исследования дефектов в твердых телах является внедрение атомарного водорода в кремний и изучение процессов его взаимодействия с примесями и дефектами [5]. Водород обладает высокой подвижностью и химической активностью при низких температурах, может встраиваться в кристаллическую решетку в окрестности мелких доноров и акцепторов, комплексов точечных дефектов, изменяя их электрические свойства. Управление электрофизическими параметрами кремния и структур на его основе путем введения атомарного водорода имеет большое значение, обусловленное практическими задачами технологии изготовления полупроводниковых приборов. Из вышесказанного следует, что исследования природы примесных и дефектных центров (в частности, изучение поведения примесей с мелкими уровнями), процессов их взаимодействия и влияния на свойства кристаллического кремния несомненно являются актуальными.

В настоящей работе исследовано взаимодействие радиационных дефектов и водорода с легирующими примесями в кремнии в условиях различной степени пересыщения по отношению к равновесной концентрации примесей и дефектов в кристаллах.

Цель и задачи работы. Целью настоящей диссертационной работы являются исследования радиационных процессов и процессов взаимодействад с атомарным водородом в системе кремний - легирующая примесь с различным пересыщением, определяемым концентрацией примеси и температурой.

Для достижения указанной цели были поставлены и решались следующие задачи:

1. провести исследование методом ИК-спектроскопии изменения концентрации фосфора в замещающем положении в кремнии с различным содержанием кислорода и углерода при облучении электронами и последующих отжигах;

2. исследовать методом ИК-спектросхопии изменение концентрации фосфора (Р5) и бора (В,) в узлах решетки кремния при облучения электронами в температурном интервале 20+700 °С;

3. изучить влияние гидрогенизации на прыжковую проводимость по примесной зоне в сильно легированных слоях кремния р-типа;

4. получить пирогенизацией структуры с блокированной прыжковой проводимостью на сильнолегированном р-8!<Оа> и провести экспериментальные исследования их электрофизических и фотоэлектрических характеристик.

Научили новизна работы:

1. На основе совместных измерений концентрации атомов фосфора в узлах методом ИК-спехтроскопии, радиационных дефектов методом ВЬТв, свободных электронов установлено, что убыль фосфора в узлах превышает концентрацию образующихся известных вакансионных дефектов с фосфором. Это свидетельствует о наличии взаимодействия атомов фосфора с междоузельными атомами кремния.

2. Определено влияние концентрации фоновых примесей кислорода и углерода в кремнии на изменение концентрации фосфора в узлах при электронном облучении. Обосновано существование реакции взаимодействия атомов фосфора с междоузельными атомами кремния, в частности вытеснение их в мевдоузельные положения.

3. Показано, что зависимость изменения концентрации атомов бора и фосфора в узлах решетки кремния от температуры облучения в диапазоне 20+700°С имеет нарастающие ц спадающие участки. Полученные результаты интерпретированы исходя из наличия двух процессов: 1) вытеснения примеси из узла в мевдоузельное положение собственными междоузельными атомами и появления междоузельных комплексов, содержащих легирующие примеси; 2) растворения междоузельной примеси в вакансиях (радиационных и термических).

4. Определена область термической устойчивости радиационно-введенных комплексов в кремнии, в состав которых входят атомы фосфора. Установлено, что восстановление атомов фосфора в узлах связано с областями температур, где происходит термическая диссоциация основных вакансионных дефектов (А-центры, Е-центры, дивакансии).

5. Обнаружено, что гидрогенизация имплантированных слоев кремния р-типа приводит к подавлению прыжковой проводимости по примесной зоне.

6. Предложен и обоснован метод получения блокирующих слоев для фоточувствительных ВШ(Н) - структур путем пассивации межой акцепторной примеси атомарным водородом.

Практическая значимость работы:

• Полученные экспериментальные данные о взаимодействии атомов фосфора с радиационными дефектами в кремнии с различным содержанием кислорода, углерода при облучении в широком диапазоне температур имеют практическое значение при прогнозировании радиационной стойкости кремния и полупроводниковых приборов.

• Полученные данные о возможности блокирования прыжковой проводимости по примесной зоне с помощью гидрогенизации кремния р-типа были применены для создания радиадаонно стойких фоточувствительных ликеек ИК-излучения на основе ВШ(Н)-структур.

Результаты исследований были переданы для использования предприятиям

электронной промышленности.

Положения и основные результаты, выносимые на защиту:

1. При облучении кристаллов кремния с концентрацией донорной и акцепторной примеси, превышающей растворимость при данной температуре, происходит распад раствора примеси в кристаллах с образованием междоузельных дефектов, включающих примесь. В данном рассмотрении реакция Уоткинса является начальной стадией распада пересыщенных растворов примеси.

2. Увеличение мощности междоузельных стоков в кремнии (концентрации углерода), увеличение концентрации свободных вакансий при росте температуры облучения ц отжига определяют стационарную концентрацию междоузельного компонента примеси.

3. Гидрогенизация сильно легированного кремния приводит к пассивации акцепторной примеси атомарным водородом и формированию слоев с толщиной, определяемой диффузией и захватом водорода на примесь. Установлено блокирование прыжковой проводимости по примесной зоне гидрогенизированными слоями кремния.

4. На основе блокирования прыжковой проводимости по примесной зоне гидрогенизированными слоями получены фоточувствительные В1В(Н)-структуры.

Апробация работы п публикации. Основные результаты проведенных исследований были представлены и обсуждены: на Всесоюзных совещаниях "Радиационная физика полупроводников" (г.Новосибирск); на Всесоюзной конференции "Радиационная физика полупроводниковых и родственных материалов" (г.Ташкент, 1984г.); на XII Республиканском семинаре (г.Киев, 1986г.); на Ш Республиканской школе-конференции молодых ученых "Актуальные проблемы физики полупроводников" (г.Алушта, 1989г.); на международной конференции по дефектам а полупроводниках (Будапешт, Венгрия, 1989); на П Всесоюзной конференции "Фотоэлектрические явления в полупроводниках" (Ашхабад, 1991); на I Российской конференции по физике полупроводников (Нижний Новгород, 1993г.); на семинарах отдела Радиационной физики и технологии полупроводников ИФП СО РАН. Общее число публикаций: 18.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 133 страницах: состоит из введения, 4-х глав, выводов и заключения. Работа содержит 36 рисунков, 7 таблиц и библиографический список из 143 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введения обоснована актуальность темы исследований, формулируется цель работы и ее задачи, приведены основные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая ценность работы.

Первая глава содержит обзор теоретических и экспериментальных исследований, касающихся состояния точечных дефектов и примесей в кремнии и их взаимодействия при радиационных и термических обработках. На основе проведенного обзора литературных данных сформулированы цель и основные задачи, которые решались в диссертации.

Во второй главе описаны методики исследований и способы обработки полученных экспериментальных данных, а также способы приготовления объектов для исследований.

Основные экспериментальные результаты по изменению состояния атомов фосфора и бора в решетке кремния при облучении электронами и последующих

термических воздействиях получены с применением методов ИК-спекгроскопии, НЕСГУ, эффекта Холла. Исследуемые образцы кремния с р=Юмсм в зависимости от содержания в них кислорода и углерода разделялись на три группы (табл.1). Облучение проводилось на импульсном ускорителе типа "Микротрон" электронами с энергией Е=3,5 МэВ при температурах от 20 до 700 °С. При термообработках образцы прогревались в кварцевой печи с автоматической регулировкой температуры в атмосфере сухого азота.

Табл. 1. Содержание кислорода и углерода в исследуемом кремнии.

Примесь Концентрация примеси, см"3

КЭФ-1 КЭФ-1 БКЭФ-1 КДБ-1

№(1)] М] [51(3)]

О ПО18 (1,2+1,4)1018 <21016 410"

С (6-7)1016 :£(3+6)1015 <(6+8)Т015 71016

Гидрогенизация легированного галлием кремния (Ыоа-(1*5)'Ю17 см'3) проводилась в кипящих водных растворах, в плазме водорода в интервале температур 20-220 °С на установке диодного типа. Концентрационные профили ионизованной примеси в гидрогенизированных структурах определялись по измерениям вольт-фарадных характеристик диодов Шотгш. При исследовании электрофизических и фотоэлектрических характеристик В1В(Н)-структур основные результаты были получены с помощью следующих методик: измерений температурных зависимостей проводимости и вольт-амперных характеристик при криогенных температурах (4+77 К), измерений спектральных зависимостей фотопроводимости при Ттм=5^-20 К.

В главе 3 представлены результаты по изменению состояния атомов фосфора и бора в решетке кремния при облучении электронами и последующих термических воздействиях.

Путем измерений ИК-поглощения на электронных переходах, связанных с мелкими уровнями фосфора а кремнии, концентрации свободных носителей, концентрации радиационных дефектов проведено исследование изменения концентрации узлового фосфора в кремнии с различным содержанием фоновых примесей кислорода и углерода при облучении электронами (ТСбЛ-20 и 180°С).

Показано, что с ростом дозы облучения концентрация свободных носителей уменьшается, что связано с образованием дефектов с глубокими уровнями и непосредственным исчезновением мелкого донорного состояния атомов фосфора в результате взаимодействия с радиационными дефектами. При этом, из измерений концентрации вакансионных дефектов с фосфором (Е-центров) методом НЕСГУ следует, что концентрация последних в тигельном кремнии на порядок меньше изменения концентрации мелкого донорного состояния фосфора. В зонном кремнии изменение концентрации узлового фосфора почти в два раза превышает концентрацию образующихся Е-центров. Это свидетельствует о том, что, как в тигельном, так и в зонном кремнии существуют дополнительные каналы для реакций с легирующей примесью. В качестве такой реакции рассмотрена реакция с междоузельными атомами кремния, поскольку вероятность образования вакансионных дефектов, более сложных, чем VP (V2P, vp2, и т.д.), в условиях эксперимента (низкие дозы облучения, низкий уровень легирования) весьма мала и их возможные концентрации ниже, чек концентрация Е-центров. Проведены исследования изменения Р5 в кремнии с различным содержанием углерода. Атомы углерода являются эффективным стоком для собственных междоузельяых атомов кремния [1,5]. Существование для атомов фосфора реакции с междоузельными атомами должно привести к конкуренции по их захвату в реакции с углеродом. Сравнение дозовых зависимостей изменения концентрации атомов фосфора в кремнии с различным содержанием углерода и равным содержанием кислорода показало, что эффективность удаления фосфора вплоть до доз Ф»101бсм~2 выше в кремнии с малым содержанием углерода [Si(2)].

Для выяснения роли иных радиационных дефектов, кроме образования комплексов вакансия - легирующая примесь, в изменении концентрации узлового фосфора были проведены исследования при Т0бл выше температуры стабильности Е-центров. В образцах Si(l) и Si(2) облучение при 180 °С приводит к удалению фосфора из узлов. В зонном Si [Si(3)] в исследуемой области доз облучения изменений концентрации атомов фосфора в узлах не наблюдается. Таким образом, и при Тс«.-180 °С в тигельном Si эффективно вводятся дефекты, включающие в свой состав атомы фосфора, чего не наблюдается в зонном Si. По нашему мнению, это связано с тем, что з Si(3) отсутствует эффективный канал для V (Е-центры нестабильны, низкое содержание 02), в результате чего стационарная концентрация свободных V возрастает.

Это должно приводить к растворению междоузельных атомов (атомов фосфора и собственных) в вакансиях.

Изохронные отжиги восстановления концентрации узлового фосфора после облучения при 20°С показали, что основная стадия находится в области температур 320-К360°С для кремния, выращенного по методу Чохральского, и 10(Н180°С для зонного кремния. Стадии восстановления фосфора в узлах связаны с областями температур, где происходит диссоциация основных ваканснонных комплексов (А-центры для тигельного и Е-центры для зонного кремния). Это подтверждает наличие либо междоузельного компонента атомов фосфора, либо междоузельного комплекса, в состав которого входит атом фосфора, и свидетельствует в пользу существования реакции Уоткинса (Р,+1 -±Р1) [6]. Восстановление атомов фосфора в узлах рассматривается как растворение Р1 в вакансиях или аннигиляцию вакансий с междоузельными атомами, входящими в состав комплексов с фосфором. При этом свободные вакансии образуются при отжиге А-центров и Е-центров в тигельном и зонном Б),соответственно.

Проведенные ИК-спектрометрические исследования кинетики изменения концентрации примеси фосфора (Р$) в замещающем положении в решетке кремния в зависимости от температуры облучения показали, что во всем исследуемом диапазоне температур 20-500°С в процессе облучения вдет уменьшение концентрации атомов фосфора в узлах. Причем, если при Тоблй 300 °С концентрация Р8 уменьшается во всем диапазоне доз облучения, то для То6л>300 °С дозовые зависимости имеют участки насыщения. Количество фосфора, удаленного из узлов, уменьшается с температурой. Аналогичные исследования на кремнии, легированном бором, показали, что во всем исследуемом интервале температур облучения 2(Н-700 °С наблюдается уменьшение концентрации атомов бора (В5) в замещающем положении с ростом дозы электронов. Сравнение концентрации свободных дырок с концентрацией бора после облучения при различных температурах показывает практически полное соответствие между убылью В5 и убылью концентрации дырок.

Наиболее интенсивное изменение В5 и Р5 наблюдается при ТОбп~180^300 °С. В этом же температурном интервале наблюдается резкое снижение низкотемпературной подвижности дырок и электронов (ТИЗИ=77К) после облучения, что может быть интерпретировано как рассеяние на образующихся междоузельных дефектах.

Сравнение экспериментальных результатов для температур облучения ниже и выше температуры стабильности вакансионных комплексов с легирующими примесями позволил сделать вывод об эффективном взаимодействии атомов бора и фосфора с междоузельиыми атомами кремния во всем исследованном температурном интервале. Поскольку система кристалл-примесь не является равновесной в условиях начальных этапов облучения при невысоких температурах (до температур, при которых концентрация примесей становится равной растворимости), то для В5 и Р5 в кремнии наличие вытеснения является следствием начальной фазы распада пересыщенного раствора Бь В этом случае эффект Уоткинса [6] можно рассматривать как элемент общего процесса аннигиляции вакансий и междоузельных атомов с участием атомов примеси, который имеет место в любых кристаллах с концентрацией примеси в узлах выше равновесной в условиях облучения. Поскольку количество примеси, оставшейся в междоузельном положении, зависит от темпа двух реакций - вытеснения атомов примеси в междоузельное положение и обратного растворения их в вакансиях, В,+ 1->Вп Р,+1->Р, (1)

Р1+ У -±Рг (2)

то изменение числа свободных I и V за счет распада слабо связанных комплексов при температурах облучения, когда концентрация равновесных I и V еще низка, должно существенно влиять на результирующую концентрацию примеси в междоузельном положении. Полученные результаты по высокотемпературному облучению можно интерпретировать, исходя из наличия двух процессов: 1) вытеснения атомов бора и фосфора из узлов и появления междоузельных комплексов, содержащих легирующую примесь; 2) растворения междоузельной примеси в вакансиях при достаточно высоких температурах. Отсутствие изменений концентрации примесей В5, и Р3 при высоких температурах облучения показывает, что ж концентрация близка к стационарной для условий облучения.

Глава 4 посвящена получению и исследованию характеристик кремниевых структур с блокированной прыжковой проводимостью (ВШ(Н)-структур). Рассмотрены свойства блокирующих слоев на поверхности кремния, сильнолегированного галлием (Ь!Оа=(2+5)-1017см'0, полученных путем пассивации электрически активной примеси атомарным водородом. Проведены исследования и модельное рассмотрение электрофизических характеристик получаемых структур.

Представлены результаты CV-измерений по распределению ионизованной примеси (атомов галлия) по глубине в слоях кремния после гидрогенизации в водных растворах и в плазме водорода. Показано, что в результате пассивации в кипящей воде в течение ~ 100 час формируются слои толщиной ~ 0,2 мкм с концентрацией электрически активного галлия Noa~2T016 см"3. Гидрогенизация в слабом растворе плавиковой кислоты ({№.'№0=1:10) приводит к возникновению слоев толщиной 0,5-0,7 мкм при времени обработки 5-10 часов с концентрацией ионизованной примеси- 1016см'3 (при исходной концентрации Noa« 5Т017 см"3). После обработки в плазме водорода с низким давлением (0,1-0,5 Topp), получаемой в ВЧ-разряде (13,56 МГц), при 20 °С в течение 20 мин образуется слой глубиной ~ 0,4 мкм и концентрацией ионизованной примеси-7-1016 см'3. Обработка при 220 °С в течение такого же времени приводят к возникновению слоя толщиной - 1,7 мкм с остаточной концентрацией ионизованных атомов галлия ~ 1015 см"3. Сделал вывод, что использование гидрогенизации в водородной плазме позволяет широко варьировать толщину пассивированных слоев и концентрацию остаточных примесей, что определяется температурной зависимостью коэффициента диффузии водорода в температурном интервале 20-220 °С.

Для изучения процессов дефектообразования при гидрогенизации проведены измерения глубоких центров методом НЕСГУ. Исследования показали, что после гидрогенизации в водных растворах глубоких уровней, обусловленных примесями и дефектами, в слоях не обнаружено (предел чувствительности установки НЕСГУ - Ю"|2см'3). Однако, после обработки в плазме водорода в спектре НЕСГУ появляется непрерывный набор уровней, наблюдаемых при температурах Т-120-170 К, и центр с энергией Ev+0,55 эВ, с резко спадающей концентрацией от поверхности в глубь (с ~5-10!3см'3 на глубине ~0,1 мкм до ~1012см*3 на глубине -0,5 мкм). Концентрация уровней, наблюдаемых при Т-120-170 К, не превышает 5-1012см"3 и спадает в глубь кристалла (на глубине ~1,5 мкм их меньше 10|2см"3).

Другое подтверждение отсутствия компенсирующих центров после гидрогенизации следует из анализа температурной зависимости проводимости образцов p-Si<Ga> и ВШ(Н)-структур. Показано, что гидрогенизация вызывает существенное снижение прьшжовой проводимости в структурах, что связано с уменьшением концентрации электрически активного галлия в блокирующем слое. В

частности, для структур, полученных гидрогенизацией в плазме водорода при температурах 20 и 220°С, энергия активации снижается с Еа=9,8 мэВ до Еа=2,4 и 1,3 мэВ соответственно. Проведенные по формуле (1)

Аяв0£{Яао Rd ) 4ЖЕ0Е

(Rad и Rd-расстояния между донором и акцептором и между донорами) оценки, основанные на модели, описанной в [7,8], показывают, что такие значения характерны для кремния, легированного галлием с концентрацией акцепторов Кш~1015см'3. Это подтверждается и согласуется с полученными из CV-измерений данными по распределению ионизованной примеси по глубине. Для исходной концентрации примеси NGa=5-1017CM'3 расчет энергии активации по формуле (1) дает величину Еа=9,8 мэВ, что также соответствует значению энергии активации, полученному из экспериментальных данных температурной зависимости проводимости.

На рис. 1 представлены темповые ВАХ исходного p-Si<Ga> и В1В(Н)-структур из того же материала после гидрогенизации в кипящей воде при разных температурах измерения. Если для p-Si<Ga> ВАХ имеет линейную зависимость, то у ВШ(Н)-струхтуры появляется нелинейность в области отрицательных смешений. При повышении температуры темновые токи растут и ВАХ трансформируется в линейную зависимость в области температур происходит при температурах, когда преобладающим типом проводимости становится проводимость по валентной зоне. Такая зависимость ВАХ для ВТВ(Н)-структур может быть обусловлена блокированием прыжковой проводимости по примесной зоне и образованием области пространственного заряда (ОПЗ) на границе силыюлегированный сдой - слаболегированный блокирующий слой [9].

хю "J

5 4г 5 г шря Im JKSK !S«

-и '1 __Л&-

/ш/ / / uff 1' Щ/Ж as ч -г -3 -s / Ц»

Рис.1. Вольт-амперные характеристики ВЮ(Н)-структуры при различных температурах измерения. Штриховая линия - исходная (до гидрогенизации).

30 К. Переход ВАХ в линейную зависимость

Был проведен расчет ВАХ для случая слабого блокирования, когда в блокирующем слое может осуществляться проводимость по примесной зоне, заложив в рассмотрение следующие предположения: 1) при достаточно низких температурах осуществляется прыжковая проводимость по примесным состояниям в сильнолегированном и блокирующем слое; 2) при приложении напряжения смещения к ВШ(Н)-структуре на границе сильнолегированный слой - блокирующий слой образуется ОПЗ; 3) плотность заряда в ОПЗ определяется концентрацией компенсирующей примеси при приложении прямого смещения на блокирующий слой и концентрацией легирующей примеси при обратном смещении. Решая уравнение Пуассона с учетом уравнения непрерывности для стационарного случая, получено следующее аналитическое выражение для плотности протекающего через В1В(Н)-структуру тока:

-1а2+4Ьи-а .[ I и

1 + — -1

о/ V. .

(3)

где: а = </,/>, + (1грг, Ь = V - -

2Р.

, а [] = а _ (¿,ст2 + ¿2сг,) ■ р,

2Ь £0£'(о-, -сг2)2 ' ' 2Ъ 2£ае(сг, ~сг2)2

Ри р2- удельное сопротивление сильно легированной области и блокирующего слоя соответственно; <11, с^- толщины сильнолегированной обласги и блокирующего слоя соответственно; О), сц - проводимости сильно легированного материала и блокирующего слоя соответственно. Рассчитанная по формуле (3) ВАХ хорошо ложится на экспериментальные точки, что говорит об адекватности модели.

Таким образом, гидрогенизация сильнолегированных слоев кремния приводит к снижению прыжковой проводимости по примесной зоне за счет пассивации атомарным водородом мелкой примеси, не сопровождается введением компенсирующих дефектов, позволяет создавать фоточувствительные структуры с блокированной прыжковой проводимостью. Образование области пространственного заряда на границе пассивированный слой - сильнолегарованный кремний р-типа на порядок и выше увеличивает соотношение сигнал - шум в ВЮ(Н)-структурах по отношению к фотосопротивлению. На основе ВШ(Н)-структур были созданы фоточувствительные 2-х рядные линейки среднего ИК-диапазона.

В заключении суммируются наиболее важные выводы, сделанные на основе

проведенных исследований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ:

1. На основе совместных измерений концентраций атомов фосфора в узлах, радиационных дефектов, свободных электронов, что уменьшение концентрации атомов фосфора при облучении на порядок превышает концентрацию образующихся Е-центров для кислородосодержащего кремния, и в два раза - для кремния, выращенного методом зонной плавки.

2. Показано влияние фоновых примесей кислорода и углерода в кремнии на изменение концентрации фосфора в узлах при электронном облучении. Обосновано существование реакции взаимодействия атомов фосфора с междоузельными атомами кремния, в частности, зытеснение их в междоузельные положения.

3. Показано, что зависимость изменения концентрации атомов бора и фосфора в узлах решетки кремния от температуры облучения в диапазоне 20700°С имеет нарастающие и спадающие участки. Полученные результаты интерпретированы исходя из наличия двух процессов: 1) вытеснения примеси из узла в междоузельное положение собственными междоузельными атомами и появления междоузельных комплексов, содержащих легирующие примеси; 2) растворения междоузельной примеси в вакансиях (радиационных и термических).

4. Определена область термической устойчивости радиационно-введенных комплексов в кремнии, в состав которых входят междоузельные атомы фосфора. Установлено, что восстановление атомов фосфора в узлах связано с областями температур диссоциации основных вакансионных комплексов: 140-4 80, 240-К260, 340-5-3 80°С (А-центры, Е-центры, дивакансии соответственно).

5. Обнаружено, что гидрогенизация кремния р-типа приводит к подавлению прыжковой проводимости по примесной зоне. Определены условия формирования совершенных слоев кремния толщиной 0,3+3 мкм и остаточной концентрацией ионизированной примеси галлия Моа=Ю15-Н016 см'3, блокирующих проводимость по примесной зоне при низких температурах,.

6. Предложен и обоснован метод получения блокирующих слоев для радиационно стойких фоточувствительных В1В(Н) - структур путем пассивации мелкой акцепторной примеси атомарным водородом.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Болотов В.В., Камаев Г.Н., Смирнов Л.С. ЙК-спектрометрические исследования взаимодействия фосфора с радиационными дефектами в Si при облучении электронами.- ФТП, 1988, т.22, в.2, с.210-214.

2. Ахметов В.Д., Болотов В.В., Камаев Г.Н., Смирнов Л.С. Изменение концентрации атомов бора и фосфора в узлах решетки кремния при облучении электронами,-ФТП, 1990, т.24, в.1, с.72-76.

3. Ахметов В.Д., Болотов В.В., Камаев Г.Н., Смирнов Л.С. ИК-спектрометрические исследования перестроек примесей бора и фосфора в кремнии при высокотемпературном облучении электронами,- Радиационная физика полупроводников и родственных материалов (тезисы докладов всесоюзной конференции, Ташкент, 30 октября-1 ноября 1984г.).

4. Akhmetov V.D., Bolotov V.V., Kamaev G.N., Smirnov L.S. The removal kinetics of Boron and Phosphorus atoms ûom Substitutional Site in Si caused by interaction with radiation defects. -Mat.Sci.Forum., 1989, v.3841, p.1239-1243.

5. Болотов B.B, Камаев Г.Н., СмирновЛ.С. Изменение узлового состояния атомов фосфора в кремнии при облучении электронами.- Третья республиканская школа-конференция молодых ученых "Актуальные проблемы физики полупроводников": Тезисы докладов, Киев, 1989г.

6. Болотов В.В., Камаев Г.Н., Феофанов Г.Н., Эмексузян В.М. Формирование структур с блокированной прыжковой проводимостью гидрогешгзацией кремния, легированного галлием.- ФТП, 1990, т.24, в. 10, с.1697-1704.

7. Болотов В.В., Камаев Г.Н., Карпов А.В., Феофанов Г.Н., Эмексузян В.М. Фоточувствительные элементы на ВПЗ-структурах, полученные пассивацией легирующей примеси водородом.- В сб.:Фотоэлектрические явления в полупроводниках. Тезисы докладов II научной конференции (Ашхабад, 23-25 октября 1991г.)- Ашхабад: Ылым, с.263.

8. А/с N 1649974 (РФ). Способ изготовления фоточувствительного элемента для инфракрасной области спектра / Болотов В.В., Камаев Г.Н., Эмексузян В.М.- Опубл. в Б.И., 1997г., №14.

9. А/с N 1649975 (РФ). Способ изготовления фоточувствительного элемента для инфракрасной области спектр / Болотов В.В., Камаев Г.Н., Эмексузян В.М.- Опубл. в Б.И., 1997г., №14.

10. Эмексузян В.М., Смирнова В.В., Г.Н.Камаев Г.Н., Болотов В.В. Влияние гидрогенизации на прыжковую проводимость в слоях легированного бором кремния,- Тез. докл. 1 Рос. конф. по физике полупроводников, Нижн. Новгород, 1993, с.337.

11. Болотов В.В., Камаев Г.Н., Феофанов Г.Н., Эмексузян В.М. Формирование структур с блокированной прыжковой проводимостью гидрогенизацией кремния, легированного галлием.- В сб.: Полупроводники. Новосибирск: ВО "Наука", Сибирская издательская фирма, 1993, с.12-13.

12. Эмексузян В.М., Камаев Г.Н., Феофанов Г.Н., Болотов В.В. Структуры с блокированной прыжковой проводимостью на кремнии, легированном галлием, полученные гидрогенизацией в плазме водорода. -ФТП, 1997, т.31, в.З, с.311-317.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Вопросы радиационной технологии полупроводников/ Под ред. Л. С. Смирнова. -Новосибирск: Наука, 1980,-296с.

2. Концевой Ю.А., Литвинов Ю.М., Фаттахов Э.А. Пластичность и прочность полупроводниковых материалов и структур.-М.:Радио и связь, 1982.-240с.

3. Горелик С.С., Дашевский М.Я. Материаловедение полупроводников и диэлектриков.- М.: Металлургия, 1988,- 574 с.

4. Смирнов Л.С., Болотов В.В., Васильев A.B. Роль неравновесности кристаллов полупроводников при радиационных обработках.- ФШ, 1979, т.13, в.7, с.1443-1445.

5. Вавилов B.C., Киселев В.Ф., Мукашев Б.Н. Дефекты в кремнии и на его поверхности.-М.: Наука, 1990.-216с.

6. Watkins G.D. EPR. study of the lattice vacancy and low temperature damage processes in silicon.- In: Latt. Def. Semicond. Conf. Ser., N.23, London-Bristol, 1975, p. 1-22.

7. Мотг Н., Дэвис Э. Электронные процессы в некристаллических веществах,- М.: Мир, 1982,- 368 с.

8. Бургуэн Ж., Ланно М. Точечные дефекты в полупроводниках.- М.: Мир, 1985.- 304с.

9. Patent № 4568960 (USA). Blocked impurity band detectors / Petroff M.D., Stapelbrock

Лицензия ЛР №020380 от 29.01.97 Подписано в печать 19.11.98. Формат бумаги 64x84 1Л 6 Печ. л. 1,00. Уч.-изд. 1,00. Тираж 60 экз. Заказ 574.

Издательско-полиграфический отдел ОмГУ 644077, Омск-77, пр.Мира, 55а, госуниверсшет

M.G.-1980.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Камаев, Геннадий Николаевич, Новосибирск

/ '

■г 5

'ЧцЩ«'

АКАДЕМИЯ НАУК РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ Объединенный Институт физики полупроводников

На правах рукописи

Камаев Геннадий Николаевич

Изменение состояния легирующих примесей в кремнии при взаимодействии с радиационными

дефектами и водородом

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

Диссертация на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Научный руководитель -д.ф.-м.н. В.В.Болотов

НОВОСИБИРСК-1998

СОДЕРЖАНИЕ стр.

ВВЕДЕНИЕ................................................................................. 4

Глава 1. СОБСТВЕННЫЕ ТОЧЕЧНЫЕ ДЕФЕКТЫ И ПРИМЕСИ В

РЕШЕТКЕ КРЕМНИЯ (обзор литературы)............................... 10

§1.1. Собственные дефекты кристаллической решетки кремния. ... 10 §1.2. Атомы легирующих и фоновых примесей в решетке

кремния.......................................................................... 1_5

§1.3. Взаимодействие собственных дефектов кристаллической

решетки с примесями при облучении и отжиге......................... 23

§ 1.4. Пассивация примесей и дефектов в кремнии атомарным водородом....................................................................... 30

Глава II. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И

ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ.............................................. 35

§2.1. Измерение спектров ИК-поглощения на примесях и

дефектах в кремнии........................................................... 35

§2.2. Определение концентрации и подвижности свободных носителей заряда (методом эффекта Холла и

электропроводности)........................................................ 39

§2.3. Определение концентрации ионизованных примесей из измерений вольт-фарадных характеристик и параметров центров с глубокими уровнями методом нестационарной емкостной

спектроскопии глубоких уровней........................................... 41

§2.4. Измерение температурной зависимости проводимости и вольт-амперных характеристик структур при криогенных

температурах................................................................... 47

§2.5. Измерения спектральных зависимостей фотопроводимости... 48 §2.6. Приготовление образцов, облучения, термообработки......... 51_

Глава III. ИЗМЕНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ АТОМОВ ФОСФОРА И БОРА В РЕШЕТКЕ КРЕМНИЯ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ ЭЛЕКТРОНАМИ И

ПОСЛЕДУЮЩИХ ТЕРМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ............ 55

§3.1. Трансформация примеси фосфора в кремнии при

радиационных воздействиях................................................ 55

§3.2. Восстановление концентрации атомов фосфора в узлах решетки кремния при термообработках после облучения............ 60

§3.3. Радиационно-контролируемые изменения системы кремний-

легирующая примесь (В8, Р8) в зависимости от температуры........ 66

Глава IV. ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК КРЕМНИЕВЫХ СТРУКТУР С БЛОКИРОВАННОЙ ПРЫЖКОВОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ (В1В(Н)-структур) ПРИ ПАССИВАЦИИ ЛЕГИРУЮЩЕЙ ПРИМЕСИ АТОМАРНЫМ

ВОДОРОДОМ................................................................. 75

§4.1. Влияние водорода на прыжковую проводимость слоев

кремния, сильнолегированных бором.................................... 75

§4.2. Исследование характеристик структур с блокированной прыжковой проводимостью на полученных пассивацией

атомов галлия атомарным водородом..................................... 82

§4.3. Влияние электронного облучения и термических воздействий на электрофизические характеристики В1В(Н)-

структур......................................................................... 107

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.......................................... 117

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................... 119

ЛИТЕРАТУРА.............................................................................. 124

ВВЕДЕНИЕ

Повышение степени интеграции ИС с одновременным увеличением площади кристалла, увеличение быстродействия и снижение энергоемкости приводит к ужесточению требований к качеству кремниевых пластин, диктует поиск новых технологий в микро- и наноэлектронике. Многие свойства полупроводников зависят от того, в какой степени реальные твердые тела отклоняются от "идеальных" структур. Введение примесей и радиационных дефектов определяют физические свойства кремния, позволяет управлять параметрами полупроводниковых приборов и широко используется в современной микроэлектронике [1]. В то же время дефекты могут играть и отрицательную роль, ухудшая параметры п\п приборов. Неконтролируемые примеси кислорода, углерода, водорода и другие, присутствующие в исходных кристаллах или вносимые в ходе технологических обработок в процессе производства полупроводниковых приборов, оказывают решающее влияние на их характеристики и, соответственно, процент выхода годных изделий. Поэтому изучение природы и свойств дефектов является одним из основных направлений современной физики полупроводников.

релаксационных процессов в исходно неравновесных кристаллах и структурах при генерации точечных дефектов и ионизации в условиях низких температур, в частности, образование междоузельного компонента легирующей примеси. Предполагая, что взаимодействие собственных междоузельных атомов с примесями является следствием неравновесности системы кристалл-примесь в условиях облучения [4], следует ожидать протекание этой реакции при радиационных обработках в кристаллах кремния с концентрацией примеси в узлах выше равновесной при температуре облучения.

Успехи физики твердого тела и физического материаловедения в значительной мере связаны с успехами в наших представлениях о природе, атомной структуре дефектов. Однако, и в настоящее время многие детали, касающиеся взаимодействия примесей и дефектов при низких температурах и в условиях неравновесности, остаются неясными. Связано это с многообразием типов дефектов и возможных вариантов их взаимодействия между собой и с примесями [3]. Эффективным методом исследования дефектов в твердых телах является внедрение атомарного водорода в кремний и изучение процессов его взаимодействия с примесями и дефектами [5]. Водород обладает высокой подвижностью и химической активностью при низких температурах, может встраиваться в кристаллическую решетку в окрестности мелких доноров и акцепторов, комплексов точечных дефектов, изменяя их электрические свойства. Управление электрофизическими параметрами кремния и структур на его основе путем введения атомарного водорода имеет большое значение, обусловленное практическими задачами технологии изготовления полупроводниковых приборов. Из вышесказанного следует, что исследования природы примесных и дефектных центров (в частности, изучение поведения примесей с мелкими уровнями), процессов их взаимодействия и влияния на свойства кристаллического кремния продолжают оставаться актуальными.

В настоящей работе исследовано взаимодействие радиационных дефектов и водорода с легирующими примесями в кремнии в условиях

различной степени пересыщения по отношению к равновесной концентрации примесей и дефектов в кристаллах.

Цель и задачи работы. Целью настоящей диссертационной работы являются исследования радиационных процессов и процессов взаимодействия с атомарным водородом в системе кремний - легирующая примесь с различным пересыщением, определяемым концентрацией примеси и температурой.

Для достижения указанной цели были поставлены и решались следующие задачи:

2. исследовать методом ИК-спектроскопии изменение концентрации фосфора (Р8) и бора (В5) в узлах решетки кремния при облучении электронами в температурном интервале 20-700 °С;

3. изучить влияние гидрогенизации на прыжковую проводимость по примесной зоне в сильнолегированных слоях кремния р-типа;

4. получить гидрогенизацией структуры с блокированной прыжковой проводимостью на сильнолегированном р-8КОа> и провести экспериментальные исследования их электрофизических и фотоэлектрических характеристик.

Научная новизна работы: 1. На основе совместных измерений концентрации атомов фосфора в узлах методом ИК-спектроскопии, радиационных дефектов методом БЬТБ, свободных электронов экспериментально установлено, что убыль фосфора в узлах превышает концентрацию образующихся известных вакансионных дефектов с фосфором. Это свидетельствует о наличии взаимодействия атомов фосфора с междоузельными атомами кремния.

2. Определено влияние концентрации фоновых примесей кислорода и углерода в кремнии на изменение концентрации фосфора в узлах при электронном облучении. Обосновано существование реакции взаимодействия атомов фосфора с междоузельными атомами кремния, в частности, вытеснение их в междоузельное положение.

3. Показано, что зависимость изменения концентрации атомов бора и фосфора в узлах решетки кремния от температуры облучения в диапазоне

имеет нарастающие и спадающие участки. Полученные результаты интерпретированы исходя из наличия двух процессов: 1) вытеснения примеси из узла в междоузельное положение собственными междоузельными атомами и появления междоузельных комплексов, содержащих легирующую примесь; 2) растворения междоузельной примеси в вакансиях (радиационных и термических).

4. Определена область термической устойчивости радиационно-введенных комплексов в кремнии, в состав которых входят атомы фосфора. Установлено, что восстановление атомов фосфора в узлах связано с областями температур, где отжигаются основные вакансионные дефекты (А-центры, Е-центры, дивакансии).

6. Предложен и обоснован метод получения блокирующих слоев для фоточувствительных В1В(Н) - структур путем пассивации мелкой акцепторной примеси атомарным водородом.

Практическая значимость работы:

• Полученные экспериментальные данные о взаимодействии атомов легирующих примесей с радиационными дефектами в кремнии с различным содержанием кислорода и углерода при облучении в широком диапазоне температур имеют практическое значение при прогнозировании радиационной стойкости кремния и полупроводниковых приборов.

• Полученные данные о возможности блокирования прыжковой проводимости по примесной зоне с помощью гидрогенизации кремния р-типа были применены для создания радиационно стойких фоточувствительных линеек ИК-излучения на основе В1В(Н)-структур.

Результаты исследований были переданы для использования предприятиям электронной промышленности.

Положения и основные результаты, выносимые на защиту:

2. Увеличение мощности междоузельных стоков в кремнии (концентрации углерода), увеличение концентрации свободных вакансий при росте температуры облучения и отжига определяют стационарную концентрацию междоузельного компонента примеси.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 133 страницах: состоит из введения, 4-х глав, выводов и заключения. Работа

содержит 36 рисунков, 7 таблиц и библиографический список из 143 наименований.

Глава 1. СОБСТВЕННЫЕ ТОЧЕЧНЫЕ ДЕФЕКТЫ И ПРИМЕСИ В РЕШЕТКЕ КРЕМНИЯ (обзор литературы).

Кремний как кристаллическое вещество характеризуется кристаллической структурой, представляющем повторяющееся упорядоченное расположение точек (атомов) в трехмерном пространстве. Идеальный кристалл является полезной абстракцией, что важно при теоретическом анализе свойств твердых тел. Однако в реальном кристалле присутствуют различного рода нарушения периодичности кристаллической решетки - дефекты структуры [6]. Последние делят на две большие группы: 1) протяженные (одно-, двух-, трехмерные) дефекты, нарушающие структуру кристалла на значительные расстояния; 2) точечные или "нульмерные" дефекты, нарушающие кристаллическую структуру на расстояния, сравнимые с межатомными. К первой группе относятся дислокации, дислокационные сетки, границы зерен и двойников, различные дефекты упаковки и пр. Точечные дефекты подразделяются на собственные дефекты решетки и примесные атомы. Они могут объединяться в комплексы, которые также относят к типу точечных дефектов: 1) дивакансия (соединение двух вакансий); 2) вакансия и примесный атом; 3) краудион - лишний атом на узловой прямой.

Ниже будут рассматриваться и описаны основные свойства и взаимодействие точечных дефектов (ТД) в кремнии.

§1.1. Собственные дефекты кристаллической решетки кремния.

Собственные дефекты решетки представляют собой дефекты, образуемые атомами основного вещества: вакантный узел (вакансия) представляет свободный узел, вообще не занятый никаким атомом; если же атом основного вещества внедряется в пространство, промежуточное между узлами, то такой дефект решетки называют междоузельным атомом. Если в кристалле одновременно образуется пустой узел и атом внедрения, то это -дефекты

Френкеля [7]. Пары Френкеля могут образовываться как при установлении теплового равновесия, так и, например, при высокоэнергетичном облучении.

Равновесная концентрация дефектов. Реальный кристалл при температуре, отличной от нуля, содержит определенную концентрацию собственных точечных дефектов, т.е. вакансии и междоузельные атомы могут существовать в условиях термодинамического равновесия. В состоянии термодинамического равновесия число пар Френкеля п определяется распределением Больцмана и может быть задана следующим выражением [8]:

\/7У • ТУ ехр

2__

кТ

(1.1)

где N - число атомов в кристалле; Ы' - число возможных междоузельных позиций; - энергия образования дефекта, т.е. работа, необходимая для удаления атома из нормального состояния и перемещения его в междоузельное положение. Равновесная концентрация дефектов при низких температурах весьма мала и, как видно из выражения (1.1), экспоненциально возрастает с ростом температуры и энергии ^^ (при 1200 °С в кремнии п~1014 см"3) [6]. Множитель 1\2 в показателе степени экспоненты появляется вследствие того, что в кристалле одновременно возникают два дефекта - атом в междоузлии и вакансия.

В равновесных условиях концентрация всех типов дефектов строго определена и соответствует минимуму свободной энергии системы [9,10].

Введение неравновесной концентрации собственных дефектов. Концентрация точечных дефектов, находящихся в тепловом равновесии в кристалле, заметна лишь только вблизи температуры плавления. При некоторых условиях концентрация дефектов может быть значительно больше равновесного значения даже при низких температурах. Путем высокотемпературной закалки или под действием высокоэнергетичной радиации можно получить избыточную (над равновесной) концентрацию собственных дефектов. Однако, подвергнутый таким воздействиям, кристалл не

находится в состоянии термодинамического равновесия, и его можно вернуть в первоначальное состояние через термические воздействия. Рассмотрим образование и свойства собственных ТД под действием у-квантов и электронов с энергией < 1 ОМэВ.

Облучение кристаллов высокоэнергетичными частицами создает вакансии (V) и междоузельные атомы (I) (компоненты пары Френкеля). Для образования разделенной пары Френкеля (ПФ) требуется сообщить атому определенную энергию называемую пороговой. Экспериментально

определенное значение для кремния находится в интервале 13-К22 эВ [11]. Пороговая энергия образования вакансии и междоузельного атома зав