Пассивация атомарным водородом дефектов в кристаллическом кремнии

Токмолдин, Серекбол Жарылгапович

Пассивация атомарным водородом дефектов в кристаллическом кремнии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Токмолдин, Серекбол Жарылгапович АВТОР

доктора физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Алматы МЕСТО ЗАЩИТЫ

1998 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Автореферат по физике на тему «Пассивация атомарным водородом дефектов в кристаллическом кремнии»

Автореферат диссертации на тему "Пассивация атомарным водородом дефектов в кристаллическом кремнии"

На правах рукописи

Токмолдин Серекбол Жарылгапович

ПАССИВАЦИЯ АТОМАРНЫМ ВОДОРОДОМ ДЕФЕКТОВ В КРИСТАЛЛИЧЕСКОМ КРЕМНИИ

01.04.07 - физика твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Республика Казахстан Алматы 1998

Работа выполнена

в Физико-техническом институте Министерства науки-Академии наук Республики Казахстан

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Вавилов B.C. доктор физико-математических наук Туркебаев Т.Е. доктор физико-математических наук Дробышев А.С.

Ведущая организация:

Государственный институт редкометаллической промышленности (ГИРЕДМЕТ, г. Москва)

Защита состоится " О " ^л/э.^.О. 1998 г. в часов

на заседании диссертационного совета Д53.08.01 при Физико-техническом институте МН-АН РК по адресу:

Физико-технический институт МН-АН РК г. Алматы, 480082, Республика Казахстан

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физико-технического института МН-АН РК.

Автореферат разослан "J:<Q" U.r?.£l 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д53.08.01, доктор физико-математических наук, профессор Мелихов В.Д.

общая характеристика работы

Актуальность темы. В настоящее время монокристаллический кремний (БО является основным, наиболее чистым и совершенным по структуре и составу материалом, используемым в полупроводниковой электронике. Именно, кремниевые интегральные схемы с высокой и сверхвысокой плотностью элементов, недостижимой на других материалах, стимулировали быстрое развитие современной телекоммуникационной и компьютерной индустрии, информационных сетей и т.д. Более того, прогресс технологий (в частности, можно отметить бурное развитие исследований Б!, легированного редкими землями, и пористого 81, которые могут служить для создания полупроводниковых источников излучения) позволяет прогнозировать доминирующую роль 81, по крайней мере, в начале 21-го века.

Улучшение параметров материала, а также методов создания приборных структур, начиная от первого транзистора до сверхбольших интегральных схем, было бы немыслимо без развития фундаментальных исследований природы дефектов, к которым относятся различные примеси, точечные и протяженные нарушения кристаллической структуры, в том числе радиационного происхождения, границы раздела и поверхность материала. Дефекты определяют такие важные характеристики, как концентрация и время жизни носителей заряда, временную стабильность и стойкость к внешним воздействиям и т.д. При этом присутствие дефектов может быть как нежелательным, так и практически полезным для управления свойствами материала и изделий на его основе.

Управление дефектно-примесными состояниями в полупроводниках путем введения в объем материала атомарного водорода (Н) является в настоящее время одним из перспективных направлений физики твердого тела и материаловедения. Водород может вводиться в рабочую область полупроводниковых структур как с целью управления электрофизическими параметрами с использованием методов ионной имплантации либо ионно-плазменной обработки в атмосфере Н2 или Н-содержащих соединений (Н-обработка), так и непреднамеренно на различных технологических этапах, включая кислотное травление, фотолитографию, покрытие поверхности пассивирующими пленками и т.д. К примеру, Н эффективно проникает из водных растворов или паров воды в слои 8Ю2, используемые для создания МОП-структур, при температурах близких к комнатной и достигает концентрации см" . Последующее воздействие радиации приводит к

высвобождению Н и его проникновению в объем Обладая высокой подвижностью и химической активностью Н существенно влияет на

энергетические уровни дефектов в запрещенной зоне, обусловливая ю модификацию, нейтрализацию и появление новых уровней.

До начала 70-х годов считалось, что Н в полупроводниках являете? нейтральной примесью. Теоретические и экспериментальные исследования Н I 51, относящиеся к этому периоду, показали, что Н не взаимодействует ( атомами кристаллической решетки, является междоузельной примесью с глубоким донорным уровнем, возможно в валентной зоне, обладает высоко! подвижностью и малой растворимостью. Однако обнаружение в 81 после имплантации ионов Н4" мелких "водородных" доноров [1,2], представляющие собой комплексы атомов Н с радиационными дефектами, полос инфракрасной (ИК) поглощения на колебаниях БьН ковалентных связей в окрестносп собственных радиационных дефектов [3] и первые результаты пс нейтрализации (пассивации) водородом электрической активности различны? примесей с мелкими [4,5] и глубокими [6] уровнями, а также дивакансий I других точечных дефектов [7,8] послужили началом интенсивны) исследований поведения Н в ве, ваАБ и других сложны)

полупроводниковых соединениях.

Первоначальный интерес к проблеме Н стимулировался перспективе! получения полезного эффекта. Было показано, что Н-обработка может был использована для улучшения характеристик фотоэлементов на основе поликристаллического и ленточного 51, в технологии полученш сверхбыстродействующих полевых транзисторов на основе ваАэ и 1пР, дш подавления влияния дефектов на границе раздела на характеристики приборо! на основе гстсрострукпр и т.д. В то же время выяснилось, что в процессе Н обработки имеет место ряд побочных эффектов, затрудняющие прогнозирование как самого процесса водородной пассивации, так I последующей модификации электрофизических свойств пассивированные структур. Дальнейший прогресс требовал детального изучения физиы процесса, в связи с чем чрезвычайно важными являются, в первую очередь фундаментальные аспекты проблемы, связанные с местоположениями I состояниями Н в кристаллической решетке полупроводника, механизмам! диффузии и взаимодействия с дефектами и примесями, с микроструктурой оптическими и электрическими свойствами Н-содержащих комплексов, ю стабильностью и т.д.

Наконец, Н, являющийся самым легким химическим элементом I обладающий простейшей электронной структурой, и 51, который можн( рассматривать как идеальный модельный материал, представляют собой очен] удобные объекты для развития теоретических и экспериментальных методо) исследования дефектов в твердых телах.

Целыо настоящей работы являлась разработка физических основ управления электрофизическими свойствами дефектов в кристаллическом кремнии атомарным водородом.

Для достижения цели были поставлены задачи определения состояний Н в 51, изучения его влияния на электрические и оптические свойства, анализа спектра локальных колебаний и характера связи Н в окрестности точечных радиационных дефектов, изучения микроструктуры комплексов Н с дефектами, механизмов модификации свойств дефектов, исследования влияния типа и концентрации легирующей примеси с мелким уровнем в запрещенной зоне на процессы водородной пассивации.

Научная новизна заключается в том, что в работе впервые:

1. Дано феноменологическое описание процессов модификации и пассивации атомарным водородом дефектов в кристаллическом кремнии.

2. Разработана зарядово-конфигурационная модель Н в Б!, включающая состояние Нт+ в Т-мсждоузлии, на основе которой могут быть описаны механизмы взаимодействия Н с дефектами и модификации уровней дефектов в запрещенной зоне.

3. Показана определяющая роль зарядовых состояний Н и дефектов в процессе их взаимодействия с последующим химическим связыванием Н на БьН ковалентных связях, что обуславливает преобладание комплексов с четным числом атомов Н, имеющих донорный характер либо нейтральных.

4. Установлено, что декорирование атомами Н оборванных Бьсвязей в окрестности примесей и их комплексов с первичными радиационными дефектами обуславливает перестройку и смещение примесных уровней в запрещенной зоне. Дополнительный захват Н примесью может приводить как к дальнейшей модификации уровней, так и к нейтрализации путем образования донорно-акцепторных пар.

5. Из анализа энгармонизма и характера связи Н в окрестности дефектов показано, что различие гибридизации атомов и наличие отрицательного заряда на атомах Н приводят к раздельному расположению БьН полос вакансионных и междоузельных комплексов в спектре ИК поглощения.

6. Показано, что из-за существенной локальности БьН моды сложных вакансионных и междоузельных комплексов определяются колебаниями Н в окрестности отдельных, характерных структурных элементов комплекса.

7. Установлено, что Н в образует связи ионного типа в различных конфигурациях. Показано, что Н в окрестности комплексов РТГ и А'РГ с мелким донором и акцептором, обладает акцепторным и донорным уровнями, расположенными при ~Ес-0.4 эВ и ~Е7+0.3 эВ, соответственно.

8. Проведено исследование оптической активности "водородного" донора и

предложена модель его электронных уровней и конфигурации, в которой два атома Н локализуются в окрестности агломерата плотноупакованных атомов Si в положениях, следующих за ближайшим в плоскости {110}.

Практическая значимость работы. Экспериментальные результаты и физическое описание состояний Н и процессов его взаимодействия с дефектами в Si имеют важное значение для развития представлений о природе дефектов в твердых телах. Полученные данные могут найти применение в научных исследованиях и разработке технологических методов в производстве изделий твердотельной электроники.

Положения, выносимые на защиту.

1. Зарядово-конфшурационная модель Н в Si, включающая состояние Нт+.

2. Феноменологическое описание процессов модификации и пассивации атомарным водородом дефектов в Si.

3. Характеристичность локальных мод колебаний как фундаментальный признак типа химической связи водорода в кремнии.

4. Обнаружение оптической активности "водородного" донора и модель его состояний.

Совокупность полученных в работе научных положений и результатов можно квалифицировать как новое крупное достижение в развитии нового, перспективного научного направления в области физики твердого тела и материаловедения - управление свойствами дефектов в кристаллических твердых телах атомарным водородом.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на многих международных и национальных конференциях и семинарах: Всесоюзный семинар по радиационной физике полупроводников (Новосибирск, 1985, 1987); Всесоюзный семинар по радиационным и термическим дефектам в полупроводниках (Киев, 1988); 3-ья Международная конференция по мелким примесям в полупроводниках (Линчепинг, Швеция, 1988); 15-ая Международная конференция по дефектам в полупроводниках (Будапешт, Венгрия, 1988); б-ой Международный симпозиум Международного центра теоретической физики "Водород в полупроводниках: объемные и поверхностные свойства" (Триест, Италия, 1990); Международная конференция по научным и технологическим аспектам управления дефектами в полупроводниках (Иокогама, Япония, 1990); 1-ая региональная конференция республик Средней Азии и Казахстана "Радиационная физика твердого тела" (Самарканд, Узбекистан, 1991); 1-ая национальная конференция "Дефекты в полупроводниках" (Санкт-Петербург, Россия, 1992); Международная конференция по модификации материалов лазерными и ионными пучками (Икебукуро, Токио, Япония, 1993); 18-ая Международная конференция по

дефектам в полупроводниках (Сендай, Япония, 1995); 7-ая Международная конференция по мелким примесям в полупроводниках (Амстердам, Голландия, 1996); 19-ая Международная конференция по дефектам в полупроводниках (Авейро, Португалия, 1997).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 25 печатных работах.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Содержит 173 страницы машинописного текста, включая 4 таблицы по тексту, 53 рисунка и список литературы из 213 наименований на 22 страницах; всего 248 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель работы, ее научная новизна и практическая значимость, изложены основные положения, выносимые на защиту.

Глава 1. Проблема водорода в кристаллическом кремнии.

Приведен краткий обзор исследований процессов диффузии Н в Б), методов внедрения Н в объем материала, данных по наблюдению электрически и оптически активных комплексов, включающих Н. Дано обоснование выбора экспериментальных методов, использованных в работе.

Атомарный водород оказывает сильное влияние на свойства полупроводниковых материалов, в частности 51. Он легко проникает в объем материала на различных технологических этапах роста кристаллов и изготовления приборных структур, обуславливая проявление как нежелательных, так и полезных эффектов, среди которых особое значение представляет явление водородной пассивации, обнаруженное в начале 80-х годов рядом исследовательских групп, в том числе в Инстшуте физики высоких энергий АН КазССР, ныне Физико-техническом институте Министерства науки-Академии наук РК.

Процесс диффузии Н в и его растворимость имеют сложный характер в зависимости от температуры, наличия примесей, дефектов и встроенного электрического поля, в котором Н дрейфует в виде ионов. Теоретическое моделирование этих процессов дает удовлетворительное согласие с данными экспериментов только при температурах >900К, при этом большое значение имеет учет динамических эффектов.

Мигрируя в кристалле, Н эффективно взаимодействует с различными

примесями и дефектами, обуславливая модификацию их электрических и оптических свойств, а. также вносит изменения в саму кристаллическую структуру в виде протяженных дискообразных пор, образующихся в плоскости {111}.

*! * *Большое многообразие эффектов, связанных с Н, требует изучения, прежде всего, состояний Н в кристаллической решетке, механизмов его миграции и взаимодействия с различными дефектами и примесями. С этой фундаментальной точки зрения наиболее интересным является изучение свойств полученных имплантацией высокоэнергетичных (энергия внедрения до 10 МэВ) ионов Ы слоев Si:H, в которых наблюдается большинство известных Н-содержащих комплексов. Но не только это определяет выбор Si:H в качестве основного объекта исследований. Преимуществом имплантации высокоэнергетичных ионов Н^ в Si является возможность контролируемого внедрения Н на большую глубин}' в широком диапазоне температур, вплоть до очень низких, получая при этом слои Si:H толщиной в сотни микрометров, что позволяет использовать в исследованиях ИК спектроскопию, являющуюся наиболее информативным методом изучения Н-содержащих комплексов. Примененная в работе схема эксперимента дала возможность повысить чувствительность метода ИК спектроскопии на порядок.

Особое значение придается в данной работе изучению комплексов Н с точечными радиационными дефектами вакансионного и междоузельного типа, спектры ИК поглощения которых, содержащие основную информацию о структуре комплексов, долгое время не удавалось идентифицировать [9]. Этот интерес объясняется те.м, что понимание процессов взаимодействия Н с точечными дефектами, в результате которых образуются электрически активные и нейтральные комплексы, является базой для физического описания явлений модификации и пассивации атомарным водородом дефектов в Si и остальных кристаллических полупроводниках.

Прикладной аспект связан с возможностью контролируемого влияния Н на свойства дефектов и примесей. Вследствие высокой подвижности Н проникает в объем материала на глубин}' в несколько и более микрометров при относительно низких температурах. Это позволяет применять для внедрения Н при температурах ~100°С и выше сравнительно простые ионно-плазменные методы, а также широко использовать для анализа электрические методы измерения, в том числе, высокочувствительную DLTS спектроскопию глубоких состояний в запрещенной зоне.

Цель настоящей работы, состоящая в разработке физических основ управления электрофизическими свойствами дефектов в кристаллическом кремнии атомарным водородом, была сформулирована в начале 80-х годов.

Ряд исследований, выполнявшихся ранее и параллельно группами Мукашсва и Горелкииского, имели важное значение для выбора направлений и успешного развития данной работы.

Глава 2. Инфракрасное поглощение центров с водородом в кремнии.

Проведен анализ спектра ИК поглощения БгН в зависимости от дозы имплантации ионов РГ, температуры отжига, содержания примесей О и С.

Показано, что при концентрациях имплантированного Н ниже 0.5 ат.% локальные полосы ИК поглощения в валентном диапазоне 1800-2250 см"1 спектра БШ обусловлены колебаниями преимущественно моноенланов в окрестности собственных дефектов. Ранее полагалось, что большое число локальных полос связано с образованием 51Н2- и Б1Н3-радикалов. а также химически индуцированным смещением частот БьН колебаний этих радикалов, обусловленным примесями, в основном О и С.

В спектрах БгН наблюдалось появление фонового ИК поглощения в виде широких, неселсктивных полос в диапазонах 1800-2250 см'1 и 500-800 см"1, соответствующих локальным валентным и деформационным Б!-!! модам. Установлено, что при имплантации ионов Н^ с энергией в несколько МэВ дозой <1018 Н^/см2 интенсивность локальных полос ИК поглощения существенно больше "аморфного" фона, который уменьшается после отжига при 200°С и исчезает при 300°С. Отсюда следует вывод о том, что при содержании имплантированного Н ниже 0.5 ат.% процессы захвата атомов Н в окрестности точечных дефектов преобладают над захватом в окрестности областей разупорядочения.

В работе проведен анализ спектра ИК поглощения 51:Н с помощью изотопического замещения Н на О, который позволяет установить как принадлежность полос локальным БьН модам, так и выделить в спектре полосы, связанные с комплексами, содержащими несколько атомов Н. В результате впервые обнаружена полоса ИК поглощения при 1599 см"1, входящая, согласно дозовым зависимостям и характеристикам отжига, в одну группу с полосами 817, 1838 и 2062 см"1, обозначенную нами как Ь-полосы. С помощью последовательной имплантации ионов Н* и были определены

компоненты изотопического расщепления полос 2222, 2062 и 1838 см"', дублета 2122, 2144 см'1 и удшрение полосы 1965 см'1, а также соответствующих изотопически-смещенных полос Si-D колебаний.

В спектрах образцов Si с содержанием кислорода и углерода >10ь см"3 обнаружены новые полосы 856, 870 и 891 см"1, связанные с комплексами Н с дефектами, включающими атомы О и С. Полосы наблюдаются также при имплантации ионов D+. Установлено, что в процессе изохронного отжига полоса 835 см'1, связанная с у3-колебанием О в окрестности А-центра, и полоса 865 см'1, соответствующая СД-центру, перестраиваются в полосы 891 см'1 и 856 см"', соответственно.

Одной из задач исследования было определение корреляции мелких "водородных" доноров, представляющих собой яркий пример электрически активного комплекса Н с радиационным дефектом, с локальными полосами ИК поглощения на Si-H модах. Установлено, что температурная зависимость концентрации электронов проводимости, обусловленных "водородными" донорами, в процессе термического отжига коррелирует только с температурной зависимостью интенсивности дублетного ИК поглощения при 2107 и 2122 см"1.

В работе впервые проведен анализ модификации полос ИК поглощения в диапазоне 500-800 см"1 деформационных Si-H мод в процессе отжига и установлена их связь с полосами в валентном диапазоне спектра Si:H.

Анализ деформационных Si-H мод представляет определенную трудность вследствие следующих факторов. Во-первых, ИК полосы деформационных Si-Н мод имеют значительную ширину и к ним не применимы такие структурные методы, как метод одноосного сжатия. Во-вторых, даже при криогенных температурах полосы имеют слабое расщепление и выделение отдельных компонентов очень сложно. В третьих, нет прямой корреляции полос с полосами в валентном диапазоне. Затруднен и изотопный анализ путем замены атомов Н атомами D, так как частоты деформационных мод Si-D колебаний оказываются близкими к частоте поперечного оптического ТО-фононного поглощения при—480 см"1. Указанные факторы объясняют малое число попыток идентификации деформационных Si-H полос. В то же время деформационные моды содержат очень важную информацию о структуре комплексов.

Следует отметить, что спектр деформационных колебаний состоит из небольшого числа мод в отличие от спектра валентных колебаний. Это свидетельствует о том, что водородосодержащие комплексы с подобными структурными элементами имеют близкие частоты деформационных мод. С учетом этого в работе установлена корреляция дозовых зависимостей и характеристик отжига интенсивности деформационных полос с суммарной

интенсивностью отдельных групп валентных 5ьН полос, в результате чего выделены следующие основные группы валентных и деформационных мод, относящихся к комплексам Н с различными дефектами:

1. 2211 см"1 и 634 см"1;

2. 2161, 2184 см"1 и -610, 668 см'1;

3. 2104, 2120 см"1 и-610, 694, 588 см"1;

4. 1950 см"1 и 718, 750 см"1;

5. 1960 см"1 и 718, 750 см"1.

Глава 3. Комплексы водорода с точечными дефектами в кремнии.

В данной главе с использованием теории колебаний молекул проведен анализ свойств колебаний атомов Н в окрестности вакансии, дивакансни, более сложных вакансионньк и междоузельных дефектов, на базе которого идентифицированы основные комплексы и рассмотрены механизмы модификации энергетических уровней дефектов в запрещенной зоне Бк

Изучение температурной зависимости энгармонизма, характера связи и колебательных свойств атомов Н в окрестности собственных ваклнсионных и междоузельных точечных дефектов показало, что различие характера гибридизации орбиталей атомов и существенный вклад кулоновского взаимодействия атомов Н, обладающих небольшим отрицательным зарядом, в случае комплексов ваканснонного типа обуславливают характерное раздельное расположение соответствующих локальных полос в спектре ИК поглощения. Вывод о раздельном расположении полос ИК поглощения на БнН валентных модах междоузельных и вакансионных комплексов, был подтвержден в расчетах, проведенных рядом исследователей.

В случае комплекса вакансионного типа Б1-Н ковалентная связь образуется с участием 5р3-гибридной орбитали атома 51, направленной к вакантному узлу. Из-за большей электроотрицательности атом Н должен обладать небольшим отрицательным зарядом [10], что подтверждено экспериментальными данными по перестройке полосы 835 см"1 А-цснтра при захвате им атомов Н. Установлено, что полоса 835 см"1 удаляется при взаимодействии А-центра с атомами Н и вместо нее появляются полосы 870 и 891 см'1 и показано, что полосы ИК поглощения при 870 и 891 см"1 соответствуют \'3-колебанию атома О в окрестности комплексов УОН и УОН2 (рис. 1). Рост частоты у3-колебания атома О в окрестности комплексов УОН и УОН; по сравнению с А-центром является следствием увеличения угла 51-0-51 связи из-за кулоновского отталкивания атомов Н и О, обладающих

небольшими отрицательными зарядами. Подобный эффект имеет место при захвате А-центром электрона на акцепторный уровень антисвязывающего состояния длинной Si-Si связи, при котором частота \'3-колебания Si-0-Si растет до 884 см"1 [11], а также в случае комплекса V02 с полосой ИК поглощения при 895 см"1 [12].

см-' . Щ 870 см

с/ Ъ

О О О • Н

Рис. 1 Комплексы вакансии с атомами О и Н и соответствующие им частоты у3-колебания 51-0-51 связи.

Показано, что вследствие существенной локальности 51-Н колебаний вакансионные комплексы можно рассматривать как состоящие из слабо связанных структурных единиц УНХ в виде УНП © УНР Ф УНт (р=0,1,2, т,п=0,1,2,3) и т.п., моды колебаний которых и расщепления связанных с этими модами полос ИК поглощения определяются, в основном, взаимодействием БьН связей, направленных к одному и том)' же вакантному узлу. При этом кулоновское отталкивание атомов Н"5 в окрестности УНХ обуславливает укорочение 51-Н связи и рост частоты валентной моды по сравнению с частотой -2070 см"1 одиночной 51-Н связи на поверхности 51. Кулоновское и дипольное взаимодействия 51-Н связей, направленных к разным узлам, оказываются на порядок меньше по сравнению с величиной взаимодействия связей, направленных к одном}' и том}' же вакантном}' узлу. Это обусловлено тем, что дипольное (кулоновское) взаимодействие обратно пропорционально кубу (квадрату) расстояния между диполями (ионами Н"5). Поэтом}- частоты локальных мод 51-Н колебаний многовакансионных комплексов могут совпадать с 51-Н частотами, соответствующими комплексам УНП (п=1,2,3) и, как следствие, в экспериментах многовакансионные комплексы могут оказаться неотличимы от УН„. Примером является комплекс У2Нб с симметрией 03(]: в экспериментах по одноосном}' сжатию соответствующее У2Н6 дублетное поглощение при 2166, 2191 см"1 имело

расщеплсиис, характерное для центра с C3v симметрией [13].

В окрестности комплексов междоузельного типа Si-H ковалснтная связь образуется с участием р-орбитали атома Si, характер гибридизации которого меняется на sp2 и sp. Это обуславливает уменьшение частот валентных мод и увеличение частот деформационных мод Si-H колебаний по сравнению с аналогичными частотами вакансионных комплексов. Плотная упаковка атомов в окрестности междоузельных комплексов обуславливает существенно меньшую температурную зависимость энгармонизма Si-H связей, чем в случае вакансионных комплексов.

Показано, что перестройка ИК полос в диапазоне 1900-2000 см'1 валентных мод Si-H колебаний комплексов междоузельного типа имеет сложный характер. Основными в этом диапазоне являются полосы 1957 и 1967 см"1, которые предварительно отнесены к комплексам атомов Н с ЭПР центрами Si-A5 и Si-ВЗ, соответственно. Спектр деформационных мод колебаний определяется локальной С5-симметрией отдельной Si-H связи IH, и 1Н2 структур в <001> гантельной конфигурации (рис. 2) и состоит из двух мод с А' и А" симметрией, которые дают в спектре Si:H дублетное ИК поглощение при 718 и 750 см'1. При этом два атома Si, образующие <001> гантель, имеют sp2-xapaKTcp гибридизации орбиталей.

атомом Si в гантельной конфигурации.

Согласно теории колебаний молекул Щ] структура обладает одной патентной и двумя деформационными модами, а 1Н2 структура - двумя валентными и пятью деформационными модами. Тогда наблюдение в спектрах ИК поглощения БгН только одной полосы в валентном и двух полос в деформационном диапазонах указывает либо на преобладание 1Н; структур, либо на пренебрежимо малое

взаимодействие Si-H связей 1Н2 структуры. Во всяком случае спектр деформационных полос комплексов междоузельного типа определяется А' и А" модами отдельной Si-H связи.

Установлено, что в процессе имплантации имеет место ' эффективный захват атомов Н в окрестности точечных дефектов вне зародышей "аморфных" а;- и оСу-фаз, представляющих собой комплексы атомов Н со скоплениями атомов Si; и вакансий. Компоненты "аморфного" фона в ИК спектре Si:H, расположенные при ~ 1990, 720 см"1 и - 2060, 620 см'1, идентифицированы с валентными и деформационными модами SiHi в окрестности а,- и а,-фаз. Отсутствие тетраэдрической координации связей SiHi а,-фазы означает отсутствие ближнего порядка, при это.м а,-фаза имеет плотность выше плотности матрицы Si.

Идентифицированы полосы ИК поглощения на локальных модах Si-H валентных и деформационных колебаний в окрестности вакансии и дивакансии, являющиеся основными и наиболее интенсивными полосами ИК поглощения в спеетре Si:H: VH* - 2222 и 634 см"1, V2H« - дублет 2166, 2191 см"1 и 610 и 668 см"1 и V2H2 - 2072 и 610 см"1. Дублет 2122, 2144 см'1 и полосы 588, 610 и 694 см"1 могут относиться как к V:Rf, так и к более сложном) комплексу в конфигурации VH2 © VH2 ©...© VH:.

Модификация глубоких уровней дефектов рассмотрена на примере VH.,. Показано, что два промежуточных комплекса VH2 и VH3 являются акцепторами, а третий комплекс VH может быть либо донором, либо акцептором в зависимости от положения уровня Ферми (Ек) и температуры образца. Атомы Н в состоянии Н* эффективно захватываются комплексами VH2 и VH3, вследствие чего концентрация VH2 и VH3 незначительна, а пассивированный комплекс VH4 является преобладающим как в процессе имплантации, так и при последующем отжиге. Дозовые зависимости и характеристики отжига ИК спектра Si:H показывают, что аналогичный механизм модификации глубоких уровней имеет место и в сл\~час более сложных вакансионных и междоузельных дефектов, так что основными являются комплексы с четным числом атомов Н, такие как V2H:, VH.i. V2H<; и т.п. Комплексы с нечетным числом атомов Н являются преимущественно глубокими акцепторами и эффективно захватывают атомы Н.

Ярким примером электрически активного комплекса Н с радиационным дефектом в Si является мелкий "водородный" донор, известный еще с 1972 г. Он образуется в образцах Si:H при 300-500°С и имеет следующие основные свойства: 1) "водородные" доноры образуются с участием собственного дефекта [2]; 2) ЭПР сигнал при 77 К от электронов проводимости, связанных с "водородными" донорами, исчезает при 20К без появления ЭПР сигнала от

нейтральных доноров. Отсюда следует, что нейтральный донор обладает двумя спаренными электронами и его основное состояние является синглетным [14]; 3) концентрация "водородных" доноров обратимо меняется при закалке в диапазоне температур 70-300°С [15].

Изучая электршеские свойства БкН, мы установили, что концентрация свободных носителей, обусловленных "водородными" донорами, достигает 1016 см"3 и более; с "водородными" донорами в запрещенной зоне связаны уровни при Ес-0.06 эВ и Ес-0.1 эВ; что наряду с "водородными" донорами образуются компенсирующие их акцепторные центры.

С целью изучения влияния "водородных" доноров на спектр ИК поглощения БкН проведена серия экспериментов с закалкой образцов, предварительно отожженных при температуре 430°С, соответствующей максимальной интенсивности дублета 2107, 2122 см'1 (как показало более детальное изучение спектра ИК поглощения БШ поведение только этого дублета коррелирует с процессом формирования и отжига "водородных" доноров). Закалка образцов после выдержки при температурах 120-250°С обуславливала существенный рост поглощения на свободных носителях в длинноволновой области спектра при температуре измерения спектров 300 К, которое обратимо менялось в зависимости от температуры закалки, но новые Э1-Н полосы при этом не появлялись. При понижении температуры до 80 К было обнаружено ИК поглощение, связанное с оптическим возбуждением и ионизацией "водородного" донора, и установлено обратимое изменение оптической активности "водородного" донора в зависимости от условий температурной закалки, хорошо коррелирующее с обратимым изменением концентрации электронов проводимости.

С учетом перечисленных выше свойств "водородного" донора предложена структура его электронных состояний, в которой основное состояние является синглетным с уровнем Е3~Ес-0.11 эВ. Взаимодействие с ТА-фононами или оптическое возбуждение с энергией 375 см"1 обуславливают переход донора в гриплетное состояние с уровнем Е,~Ес-0.061 эВ, с которого осуществляются переходы электронов на мелкие водородоподобные уровни 2р0, 2р± и Зр± :остояний и в зону проводимости (рис. 3(а)).

Наблюдаемые свойства "водородного" донора хорошо описываются в замках модели (рис. 3(6)), в которой два атома Н локализуются в окрестности 1гломерата гсютноупакованных атомов в положениях, следующих за Злижайшим в плоскости {110}. Вероятно, что этот агломерат образуется при 1ерестройке междоузельного БНЗЗ центра. При этом образуются две сонфигурации с симметрией C2v и С2 (или С5), состоящие из 1Н] структур, солебательные свойства которых не меняются при переходе пары атомов Н

между двумя парами эквивалентных положений на оборванных Si-связях, что являлось одним из основных критериев при построении модели. Этот переход можно рассматривать как обратимую перестройку мелкой донорной и глубокой акцепторной конфигураций "водородного" донора друг в друга. Из рис. 3(6) видно также, что электрическая активность комплекса может быть полностью нейтрализована при захвате дополнительных атомов Н.

При температурах отжига Si:H выше 400°С в спектре ИК поглощения присутствует только одна полоса 1967 см"1, соответствующая комплекс}' междоузельного типа, который, вероятно, и является "водородным" донором. Интенсивность полосы 1967 см"1 резко возрастает при 300-400°С, затем следует стадия медленного роста до 550°С с последующим отжигом при 600°С. Таким образом, в процессе отжига Si:H температурная область наблюдения полосы 1967 см'1 оказывается шире области 350-500°С для электронов проводимости от "водородных" доноров. Причина этого в наличии компенсирующих акцепторных центров, концентрация которых достигает минимума при ~430-450°С. Действительно, установлено, что при понижении температуры измерения спектров до 80 К интенсивность Si-H валентных полос падает из-за делокализации Si-H мод вследствие рассеяния свободных электронов. Эффект максимален в случае дублета 2107, 2122 см"1, соответствующего многовакансионному пассивированном}' комплекс}-, который образуется при отжиге ау-фачы. Наиболее вероятным является комплекс V6Hi;, формирующийся из Н-содсржащих акцепторных комплексов, компенсирующих электрическую активность "водородных" доноров, что обуславливает корреляцию "водородных" доноров с дублетом 2107, 2122 см"1. Комплекс УбНц может быть зародышем дискообразных пор в плоскости {111}.

Распад Si-H связен тсрмостабильных Н-содержащих комплексов как вакансионного, так и междоузельного типов происходит при 550-600°С и сопровождается ростом несслекгивного поглощения при >2500 см"1, соответствующего оборванным Si-связям, а также известных ранее полос ИК поглощения на внутрицентровых электронных переходах в окрестности собственного дефекта с выделенными <100> и <110> осями, который наблюдался после отжига при в образцах Si, облученных быстрыми

нейтронами и высокоэнергетичными электронами [16]. Следует отметить, что плотноупакованный агломерат на рис. 3(6), являющийся остовом "водородного" донора, имеет тс же выделенные оси.

Следующим примером модификации и нейтрализации уровней дефектов атомарным водородом являются комплексы Н с Е-центром, который представляет собой пару "вакансия+узловой атом мелкой донорной примеси V группы". В спектрах ИК поглощения образцов Si<Sb>:H и Si:H с высоким

Рис. 3 (а) Структура уровней "водородного" донора в БкН. Е5 -синглетное, Е, - трнплетное и Е<ьиые - однократно ионизованное состояния.

(б) Модель "водородного" донора: вверху - предполагаемая схема перестройки БМЗЗ центра в плотноупакованный агломерат в плоскости {ПО}; внизу - обратимые конфигурации донора.

содержанием мелкой донорнон примеси обнаружены новые полосы 2098 и 2190 см"1. Моделирование процесса перестройки конфигурации, колебательных свойств и электронной структуры Е-центра при захвате атомов Н на оборванные Бьсвязи с применением метода М1№30/3 показывает, что полосы 2098 и 2190 см'1 можно связать с Б^Н модами комплексов ЕН и ЕН3 (табл. 1), и что захват атомов Н не приводит к удалению уровней Е-центра из запрещенной зоны, а только к их модификации (рис. 4). При этом ЕН3 обладает уровнем вблизи потолка валентной зоны, соответствующим $р3-орбитали донорного атома и заполненным неподеленной парой электронов.

Таблица 1. Расчетные частоты симметричных мод БьН валентных колебаний в окрестности комплексов ЕНП.

Комплекс Частота (см"1) Длина бьн связи (Е)

ЕН 2132 1.543

ен2 2145 1.537

ЕН3 2187 1.532

атом Р Е-центр ЕН ЕН2 ЕН3 ЕН4 , р

-1- -

—Н— н--н—

, , .,.................................. ,, ,. ■ „«-^ Еч

Рис. 4 Структура уровней различных центров в 51, полученная из расчетов методом М1ЖЮ/3.

Комплекс ЕН3 электрически нейтрален (пассивирован) в п-типа, но может быть активным в р-типа. При захвате дополнительного атома Н уровень комплекса ЕН4 смещается в верхнюю половину зоны, становясь мелким донорным уровнем.

На первый взгляд вывод о преобладании комплексов с четным числом атомов Н не применим к комплексам Н с Е-центром. Однако в данном случае роль недостающего атома Н выполняет неподеленная пара электронов на атоме донорной примеси.

В работе впервые обнаружено ПК поглощение при 1599 см"1 на обертонной деформационной моде колебаний Н в Установлено, что полоса 1599 см"1 входит в одну группу с полосами 2062, 1838 и 817 см'1, которая обозначена нами как Ь-полосы. Изучение спектра БкН с помощью изотопического замещения Н на Б показало, что соответствующий Ь-полосам комплекс. (11-центр) содержит два атома Н, один из которых образует БьН ковалентную связь с частотой валентной моды 2062 см"1, характерной для одиночной БЬН связи в окрестности вакантного узла. Другой атом Н локализован на БЬН антисвязи, обладающей валентной модой 1838 см'1,

фундаментальной деформационной модой 817 см'1 и обертонной деформационной модой при 1599 см"1. Наблюдение ИК активной обертонной моды обусловлено значительно большей поляризацией ближайшего окружения по сравнению со случаем Si-H ковалентной связи, что является экспериментальным доказательством ионного характера Si-H антисвязи в ковалентном кристалле Si. Соответствующий h-центр образуется только в условиях облучения, поэтому с учетом того, что частота валентной моды 2062 см"1 характерна для комплекса вакансионного типа, в работе предпочтение отдается формированию Si-H ангисвязи в окрестности комплекса V2HH* в конфигурации VH ® VH*. В литературе дискутируется также возможность образования квазимолекулы Н2* [17] в конфигурации, в которой один из атомов Н локализуется в ВС (bond-centred) положении на середине Si-Si связи, а другой атом Н располагается в АВ (anti-bonding) конфигурации на продолжении этой связи в окрестности тетраэдрического Т-междоузлия.

Установлено, что полоса ИК поглощения 865 см"1, соответствующая С,0,-центру, перестраивается при взаимодействии с атомами Н в полосу 856 см'1, что обусловлено захватом атомов Н на оборванные связи <001> Si-C гантели в окрестности СД-цетра.

Таким образом, проведенный в работе анализ локальных колебаний атомов Н в окрестности радиационных дефектов в Si показывает, что в процессе пассивации дефектов в результате химического связывания Н на Si-H ковалентных связях модификация уровней дефектов в запрещенной зоне имеет сложный характер и зависит от положения EF. Это указывает на определяющую роль, которую играют зарядовые состояния реагирующих компонентов: атомов Н, дефектов и их комплексов. При этом преобладание комплексов с четным числом атомов Н, имеющих донорный характер либо нейтральных (пассивированных), означает, что атом Н в Si в процессе взаимодействия с дефектами имеет донорный характер и преимущественно взаимодействует с комплексами акцепторного типа.

Глава 4. Водород в сильнолегированном кремнии

С целью изучения влияния положения EF на процессы взаимодействия Н с дефектами в работе была проведена имплантация ионов f-Г в Si с различным содержанием легирующих мелких акцепторных и донорных примесей. При концентрации легирующей примеси выше 1018 см'3 установлено селективное введение вакансионных комплексов VH и V2H2 в Si р-типа и комплекса Н с междоузельным дефектом в Si n-типа (рис. 5). Эффект связан как с селективным характером взаимодействия первичных радиационных дефектов с узловыми атомами мелкой примеси, так и с зарядовыми состояниями

дсфектов и атомов Н, При концентрациях ннже 1018 см'3 мелкая примесь не оказывает заметного влияния на процессы взаимодействия Н с дефектами.

Высокая концентрация мелкой легирующей примеси обуславливает наряду с эффектом селективного взаимодействия атомов Н с точечными радиационными дефектами появление в спектрах сильнолегированных образцов 31<В>:Н, 81<БЬ>:Н, Б1<Р>:Н и 8кА1>:Н новых полос ИК поглощения на локальных модах колебаний Н. Среди них особо важным является наблюдение полос, выделенных на рис. 5 как с1-, 1-, б- и а]-полосы.

М-—Л_

лл! А 1А ШХ

_L А _ллА1 ^_

2200 2000 1800 1600 800 1300 1100

волновое число (см-1)

Рис. 5 Спектры ИК поглощения при 80 К образцов, имплантированных ионами Н* и при дозах: 1,2 - 1017 Н7см:; 3 - 2x1017 Н+/см2; 4-6-ЗхЮ1' Б7см2. Содержание примесей в образцах было следующим:

1 -БКО.О (Ыо ~6х10п,Ыс~2х10п, IV -8К8Ь> ~ 5х 1018, N0" -8КВ> № — 2х1019, N0-

(N0 < Ю15, Ис< Ш'\ ИвН®3 см'3).

2.5

3.6 4

-81

• 1018 см'3);

• ЗхЮ17 см"3);

Л)3 .

10й см"3);

Общим свойством .(1-, 1-, 5- и а)-полос, отличных! по сравнению с полосами ИК поглощения на Б1-Н колебаниях в окрестности радиационных дефектов, является характерная зависимость их интенсивности от дозы имплантации ионов Н+: интенсивность полос достигает максимума уже при до-',ах ниже 1017 Н7см2, а затем достаточно быстро падает без появления

дополнительных, неизвестных полос ИК поглощения. Кроме этого t- и s-полосы отличаются сальной зависимостью интенсивности от температуры измерения спектров.

Характерная структура ду блетных d-полос ~810, 880 см"1 и триплетных t-полос~1562, 1670, 1764 см"1, повторяющаяся в спектрах образцов Si<Sb>:H и Si:H, соответствующее небольшое смещение их частот, а также восстановление электрической активности атомов мелкой примеси после отжига при сравнительно невысокой температуре 120-150°С позволили нам сделать вывод, что d- и t-полосы связаны с нейтральным комплексом, который образуется при захвате атома Н узловым атомом мелкой донорной примеси (Р).

Для объяснения эффекта пассивации мелких донорных примесей V группы в Si были предложены две модели, в которых атом Н локализуется либо в АВ-положении к узловому атому Р, либо в АВ-положении к атому Si (AB-Si конфигурация) [18]. Согласно расчетам, проведенным в работе [19], Si-Р связь разрывается, атомы Si и Р значительно смещаются из узловых положений, атом Н образует Si-H ковалентную антисвязь, а два электрона атома Р образуют неподеленную пару (рис. 6(а)). На основе этой модели были объяснены спектры поглощения ионно-имплантированных образцов Si:P, Si:Sb и Si:As, обработанных при 120°С в Н-плазме [20]. Полосы -810 и -1560 см"' были отнесены к деформационной и валентной модам Si-H ковалентной ангисвязи, а поглощение при -1660 см'1 было отнесено к другощ' комплексу, содержащему дефект обработки. Недавно в работе [21] было признано, что обе полосы 1560 и 1660 см"1 относятся к одному и тому же центру, а наличие двух близко расположенных полос было объяснено Ферми-резонансным расщеплением из-за взаимодействия полносимметричной А] валентной моды с Ai обертонной деформационной Si-H модой. Однако подобное ангармоническое взаимодействие можно ожидать, например, в случае SiH3-радикала, деформационные моды которого раскладываются на А] и Е компоненты. В случае же Si-H связи как для деформационной, так и обертонной мод в неприводимом представлении А|+Е физический смысл имеет только Е компонента, которая не может смешиваться с Aj модой Si-H валентного колебания*

В теоретической работе [22] было предложено, что релаксация атомов Si и Р незначительна и что пассивация является результатом образования нейтральной Р+-Н" пары с ионом Н' в T-Si конфигурации (рис. 6(6)). Эта модель экспериментально подтверждается нашими данными.

Действительно, частоты d- и t-полос, а также очень интенсивной s-полосы 1666 см'1 в спектре образца Si:H близки к частотам h-полос 817 и 1599 см"1, связанных с фундаментальной деформационной и обертонной модами Si-H

(а)

(б)

(А02=А, (Е)3=А,+Е

п=1

п=0 Тн

О'П

00. »п

:А1 Е

"ЗУ

(В)

Рис. 6 Предполагаемые конфигурации нейтрального комплекса атома Н с узловым атомом мелкой донорной примеси: (а) расчет из первых принципов [19]; (б) донорно-акцепторная пара РТГ; (в) расщепление уровней Т-осциллятора при наличии возмущения вдоль оси <111>.

ионной антисвязи, направленной к Т-междоузлию. Известно, и это подтверждается данными анализа спектра ИК поглощения БкН, что частоты и расщепление локальных мод колебаний молекул являются их характеристическими, фундаментальными параметрами, отражающими характер связи атомов молекул. Это позволяет сделать заключение, что с1-, N и в-полосы соответствуют ИК активным центрам с ионным характером связи Н и что (З-полосы относятся к фундаментальным модам, а I- и б-полосы к обертонным модам колебаний ионов Н, которые расположены в окрестности Т-междоузлия.

Структура й- и 1-полос характерна для фундаментальных и обертонных мод С3у-осциллягора, образующегося при понижет ш симметрии Т-осциллятора вследствие возмущения вдоль кристаллографической оси <111> (рис. 6(в)). В этом случае Р2 фундаментальная мода колебания иона Н", связанного в теграэдрически координированной конфигурации в Т-междоузлии, расщепляется на А! и Е моды. При этом обертоны А] и Е фундаментальных мод преобразуются как неприводимые представления (А1)2 = А) и (Е)2 = А]+Е [23]. Все эти моды являются ИК активными.

Таким образом, наблюдение d- и t-полос с характерной для СзУ-осциллягора структурой подтверждает механизм водородной пассивации мелкой донорной примеси V группы в Si путем образования нейтральной донорно-акцептррной пары Р+-Н'. Стабильность этой пары зависит от положения Ер: при смещении Ef ниже Ес-0.4 эВ комплекс Р+-Н' распадается даже при ~300 К. Отсюда следует, что * акцепторный уровень атома Н, локализованного в Т-междоузлии в Si, расположен вблизи Ес-0.4 эВ. Это подтверждается также данными работы [18], в которой было показано, что эффективность пассивации мелких доноров V группы в Si чрезвычайно низкая: только незначительная доля донорной примеси в Si пассивируется в процессе обработки при 150°С в декгериевой плазме.

Далее в работе показано, что aj-полоса в спектрах ИК поглощения образцов Si:H и Si<Al>:H связана с локальными колебаниями иона Н* вблизи Т-междоузлия в окрестности узлового атома мелкой акцепторной примеси (А). Наблюдение ai-полосы является прямым экспериментальным доказательством того, что нардду с общепризнанным механизмом пассивации мелкой акцепторной примеси III группы в Si путем образования пассивированного комплекса АН в ВМ-конфитурации, в которой Н расположен на середине Si-A связи, существует другой механизм, заключающийся в образовании донорно-акцепторной пары А'Н* в конфигурации АВ-А в направлении Т-междоузлия, причем А'Н4 является преобладающим при температурах >300 К. Стабильность комплекса А'ЬГ также, как и в случае комплекса Р4!!" зависит от положения уровня EF, при смещении которого выше Еу+0.3 эВ комплекс распадается. Отсюда следует, что донорный уровень Н в окрестности Т-междоузлия в Si расположен вблизи или выше Еу+0.3 эВ.

Проведен анализ модификации уровней в запрещенной зоне для ВМ-' конфигурации АН комплекса и показано, что, по крайней мере, уровень (^Si+'A), соответствующий антисвязывающей комбинации 5р3-орбиталей атомов Si и А, может находиться в запрещенной зоне, вследствие чего комплекс АН электрически нейтрален только при положении уровня ЕР ниже уровня ^Si+'A). Уменьшение эффективности пассивации при низких концентрациях мелких акцепторов может быть связано с распадом АН комплексов, который можно объяснить близким расположением уровней Ef и f^Si+'A), однако этот вопрос требует дальнейшего исследования.

Показано, что обнаруженная в спектре ИК поглощения Si р-типа с высоким содержанием мелких акцепторов s-полоса связана с обертонным колебанием иона Н^т, локализованного в Т-междоузлии. Действительно, ЬГт должен обладать ИК активными одной F2 фундаментальной и одной F2 обертонной модами колебаний. Нам не удалось выделить в спектре Si:H

полосу ИК поглощения с ориентировочной частотой ~850 см"1 на фундаментальном колебании иона Н^т, однако этот факт может быть объяснен тем, что ион очень сильно поляризует окружение. При этом колебания обладают существенно большей электроохгтической ангармоничностью по сравнению с БьН ионной антисвязью в виде диполя в окрестности Ь-центра и "слабым" диполем Р+-Н" (Р+ и Н' частично экранированы атомом БО, вследствие чего имеет место перераспределение относительной интенсивности полос ИК поглощения на фундаментальной и обертонной модах в сторону значительного увеличения интенсивности обертонной полосы с уменьшением и исчезновением фундаментальной полосы.

Н*т представляет собой точечный центр, который образуется при положении уровня Ег ниже уровня Еу+0.3 эВ и компенсирует мелкую акцепторную примесь III группы путем аннигиляции Н элекгрона со свободной дыркой.

Таким образом экспериментально показано, что Н образует связи ионного типа в ковалентном кристалле и локализуется в виде ионов Н^ и Н" вблизи Т-междоузлия в различных конфигурациях: БьН ионная антисвязь, нейтральные донорно-акцепторные комплексы Р^" и А"Н+ и, наконец, в сильнолегированном р-типа собственно ион Н^. Во всех случаях происходит поляризация ближайшего окружения, значительно большая, чем в случае Б^-Н ковалентной связи, что приводит к появлению полос ИК поглощения на обертонных колебательных модах. Обертонные полосы ИК поглощения на колебаниях ионов и Н" имеют отличительные признаки: они расположены отдельно от валентных и фундаментальных деформационных полос и характеризуются значительной зависимостью от температуры измерения.

Глава 5. Пассивация дефектов и примесей при плазменной Н-обработке кремния.

Проведено исследование модификации электрофизических параметров диодных структур на п- и р-типа при Н-обработке образцов при температурах 100-300°С в плазме тлеющего и высокочастотного разряда. Показано улучшение ВАХ и удаление глубоких состояний в запрещенной зоне, связанных с известными радиационными дефектами такими, как дивакансия, А-центр, С Д-центр и многовакансионные комплексы, включающие атомы О.

Установлено, что глубокие )ровни многовакансионных комплексов, включающих атомы О, реактивируются при температуре 440°С с энергией активации Еа ~2.0-2.5 эВ, близкой к энергии Еа ~2.5 эВ разрыва БьН связей, расположенных на протяженных вн)тренних полостях.

Термическая стабильность пассивированных дефектов определяется Si-H связями, которые более стабильны, чем сами дефекты. Наличие в составе пассивированных комплексов примеси О и С уменьшает их термическую стабильность (~400-450°С) по сравнению со случаем пассивированных собственных дефектов, отжигающихся при 550-600°С.

Н-обработка п+-р структур на поликристаллическом Si, используемых для солнечных элементов, приводит к удалению из запрещенной зоны распределенной системы глубоких уровней, связанной с границами раздела и остаточными примесями, а также рост подвижности носителей и к.п.д. солнечных элементов на 20%.

Показано, что пассивированные в процессе Н-обработки при 120°С мелкие акцепторы реактивируются вследствие распада АН комплекса в ВМ-конфигурации при температурах: В - ~160 С, Ga - ~230°С и AI - ~230 С, - что хорошо согласуется с известными в литературе. Однако установлено, что радиационные дефекты, вводимые ос-облучением в образцы Si, Si<Ga> и Si<Al> после их предварительной Н-обработки, пассивируются при 150°С атомами Н, эмитируемыми при распаде ATf" комплексов независимо от вида акцепторной примеси. Это подтверждает вывод о наличии двух механизмов нейтрализации мелких акцепторов п>тем образования комплексов АН и АТГ.

Комплекс АН можно рассматривать как вакансию, оборванные Si-связи которой замкнуты атомами Н и А. Тогда низкая термическая стабильность комплекса АН по сравнению с VH4 подтверждает вывод о том, что наличие примеси уменьшает стабильность пассивированных дефектов.

Установлено, что предварительная Н-обработка Si при температурах >200°С обусловливает введение эффективных ловушек междоузельных атомов Si;. Такими ловушками, вероятнее всего, являются комплексы атомов Н с вакансионными дефектами.

Пассивированные точечные дефекты, являющиеся стоками первичных радиационных дефектов, могут служить ядрами зародышей "аморфных" а,- и оц-фаз. Это согласуется с известным в литературе фактом образования тонкого слоя a-Si:H на поверхности образцов Si -в процессе Н-обработки, при которой создание областей разупорядочения маловероятно.

Показано, что Н-обработка образцов Si п-типа при 200°С обуславливает полное удаление из запрещенной зоны глубоких уровней примесей ПМ и халькогена (S), что согласуется с литературными данными, а также плазменное геттерирование ПМ и S, которое уменьшается, если образцы защищены от прямого воздействия плазмы.

При малых временах Н-обработки и в процессе последующего отжига при 250-700°С обнаружен ряд новых эффектов, связанных с перестройкой уровней ПМ и появлением глубоких уровней комплексов атомов Н с ПМ (рис. 7). Образование электрически активных комплексов атомов Н с Б, Р1 и Аи было недавно подтверждено в ЭГТР, ИК и БЬТБ исследованиях ряда других авторов.

Р1

450°С

100

200 Т(К)

300

100

200 Т(К) -

300

100 200

Т(К)

100

200 Т(К)

300

Рис. 7 Модификация глубоких уровней переходных металлов в после Н-обработки (200°С, 1 час, штриховая линия) и в процессе последующего изохронного отжига. Исходные спектры выделены жирной линией.

Анализ возможных конфигураций комплексов атомов Н с ПМ и Б показывает, что предпочтительной является диэдрическая модель, в которой атом ПМ (Б) образует с помощью яр-гибридов связь БьПМ-Б!, а две другие оборванные Бьсвязи пассивируются атомами Н. Конфигурация оказывается подобной конфигурации пассивированного комплекса УОНг (рис. 1), но в отличие от УОН2 глубокие уровни (¡-состояний ПМ не удаляются из запрещенной зоны, а модифицируются и смещаются к новым положениям, как это имело место в случае Е-центра. При этом комплекс ПМ с двумя атомами Н может оказаться электрически нейтральным, например, в р-типа и активным в Б1 п-типа и наоборот.

Наблюдаемое в экспериментах полное удаление глубоких уровней ПМ свидетельствует о наличии дополнительного взаимодействия с атомами Н. Возможно, что механизм нейтрализации <1-состояний при этом состоит в образовании донорно-акцепторных пар, аналогично нейтрализации мелких донорных и акцепторных примесей.

Глава 6. Состояния атомарного водорода в кристаллическом кремнии.

Показано, что в процессе Н-обработки при 120°С атомарный Н в Б1 р-типа присутствует в виде системы Н"+ЬГ. в которой доля Н° определяется концентрацией неосновных носителей. Н* вносит основной вклад в дрейф в тянущем поле и захват мелкими акцепторами, обуславливающими очень широкий диапазон изменения коэффициента диффузии О от ~10"8 см2/с до бхЮ"14 см:/с. Изменение В в зависимости от концентрации атомов бора, которые служат ловушками НГ и формируют тянущее поле, согласуется с литературными данными. В полностью пассивированном слое вклад ЬГ-компоненты уменьшается и диффузия определяется преимущественно состоянием Н°, что приводит к значениям Э ~10"12 см2/с, характерным для п-типа с низкой концентрацией дефектов [6].

Установлено, что в п-типа, содержащем радиационные дефекты, значение О достигает ~5хЮ'10 см:/с, однако это связано не с дрейфом Н", а дрейфом Н\ что указывает на возможность существовании в Б1 п-типа трех различных состояний И1", Н° и Н".

Проведен анализ состояний Н в бездефектной решетке Б! с разным уровнем легирования мелкими примесями. Литературные данные по расчетам стабильных конфигураций Н показывают [24], что равновесным состоянием Н° является НВс°, а состояние Нт" мстастабильно. Н' имеет единственный минимум энергии в положении Иве"1. а Н" - в положении Нт". Отсюда делается

заключение, что в Б1 р-типа преобладает состояние Нвс+, а в Б1 п-типа -состояние Нт'.

НВс° и НВс+ наблюдались в ЭПР, ЭЬТБ и цБЯ экспериментах, но только при температурах ниже 200 К. Состояние НВс° обладает донорным уровнем при Ес-0.16 эВ. Состояние Нт' в виде точечного центра не наблюдалось. Оно наблюдается нами только в составе нейтральной донорно-акцепторной пары Р^Н', анализ условий наблюдения которого показывает, что Нт" обладает акцепторным уровнем, расположенным вблизи Ес-0.4 эВ.

Теоретическое заключение о преобладании состояния НВс+ в р-типа экспериментально не подтверждается. В то же время нами обнаружены состояния Н\ которые стабильны при температурах >300 К и реализуются в виде Р-Г, локализованного вблизи Т-междоузлия в АВ-А конфигурации нейтральной донорно-акцепторной пары АТГ, и в виде изолированного Нт+ в сильнолепгрованном р-типа. Показано, что эти состояния обладают донорным уровнем, расположенным вблизи или выше Еу+0.3 эВ. Именно состояние Нт+ удовлетворяет данным по дрейфу ионов Н+ во встроенном тянущем поле, так как НВс+ не может дрейфовать во встроенном поле вследствие того, что представляет собой систему (БьН-БО4, в которой заряд распределен на атомах Бь

На основе совокупности экспериментальных данных, полученных в работе и известных в литературе, предложена зарядово-конфигурационная модель Н в Б1 (рис. 8), хорошо описывающая свойства Н и его легкого изотопа мюония (Ми). Отличием данной модели от существующих представлений является наличие состояния Нт+. Модель также дополнена метастабильным состоянием НМз°, локализованным, вероятнее всего, в АВ-положении вблизи Т-междоузлия.

Согласно модели Н обладает следующими состояниями в Бг

• НВс с донорным уровнем ЕВсд ~ Ес-0.16 эВ и энергией барьера перехода -0.3 эВ для Нвс° => Нш° и -0.48 эВ для Нвс+ + е => НМ5°

• Нмэ с донорным уровнем Ембл ~Еу+0.3 эВ, акцепторным уровнем при Еша ~ Ес-0.4 эВ и энергией барьера ~ 0.3 эВ для перехода Нмб0 => НВс°. Захват и эмиссия свободных электронов и дырок обуславливают также переходы в Нт" и Нт+, энергии активации которых определяются уровнями Емзл и Емза.

• Нт с донорным уровнем при Етл ~ Еу+0.5 эВ и акцепторным уровнем при Ета ~ Ес-0.5б эВ. Состояния Н/ и Нт+ обладают глобальным минимумом энергии. Оценка барьера для перехода Нт+ => НВс+ дает значение ~1 эВ, которое хорошо согласуется с энергией диффузии Н в бездефектном при температурах 630-900 К.

+/0 I e -0.16

0/-

-0.4

\ +/0

-0.3

ВС

(a)

0 /-

+/0

Рис. 8 Диаграммы состояний (а) и конфигурационных координат (б) атомарного водорода в кремнии.

- данные ЭПР исследования [25];

- данные рБК-спектроскопии [26]; | | - данные БЬТБ исследования [27];

- данные по релаксации емкости обратно-смещенных Шоттки-переходов при перезарядке Н [28].

Высокую степень достоверности предложенной модели подтверждает анализ данных по диффузии Н и релаксации спина Мит° в результате процессов перезарядки Ми/ + е" о Мит° в Si с различным примесным составом в широком диапазоне температур от комнатной до 1200 К. Показано, что основную роль в процессах миграции Н при температурах до 600 К играют последовательности переходов

Нш° => Нвс° => Нвс+ + е => Нмз°,

Hms° => Нт+ - h+ => Нт° => HMS° "

Hms° => Нт - е => Нт° => HMS°,

из которых две последние дают захват Н в окрестности Т-междоузлия, т.е. в области с низкой электронной плотностью, что позволяет наблюдать дрейф ионов РГ и Н" при наличии электрического поля. При температурах 630-900 К диффузия определяется переходами Нвс+ + е" => Hms° => Нт+ + е" и затем Нт+ => НВс+ с эффективной энергией ~1 эВ. При более высоких температурах скорость перехода Нт+ => НВс+ превышает скорость перехода Нвс+ + е" => HMs° => Нт+ + е" с эффективной энергией -43.48 эВ. При этом имеет место захват Н в состоянии НВс+ в области с высокой электронной плотностью.

Таким образом, захват Н в окрестности Т-междоузлия в нейтральном и ионизованном состояниях при температурах от комнатной до 600 К позволяет дать описание процессов модификации и пассивации дефектов в Si, результате которых имеет место преобладание комплексов донорного типа либо нейтральных. Одним из следствий является наблюдаемая при больших дозах имплантации ионов Н* конверсия Si р-типа в Si п-типа.

основные выводы

2. Разработана зарядово-конфигурационная модель Н в Si, включающая состояние нт+, на основе могут быть описаны механизмы взаимодействия н с дефектами и модификации уровней дефектов в запрещенной зоне. В рамках данной модели проведен анализ процесса миграции Н в Si и показано, что при температурах <900 К имеет место захват Н в окрестности Т-междоузлия, а при >900 К - в окрестности ВС-междоузлия.

3. Показана определяющая роль зарядовых состояний Н и дефектов в процессе их взаимодействия с последующим химическим связыванием Н на Si-H ковалентных связях, что обуславливает преобладание комплексов с четным числом атомов Н, имеющих донорный характер либо нейтральных.

4. Установлено, что декорирование атомами Н оборванных Si-связей в окрестности примесей и их комплексов с первичными радиационными дефектами обуславливает перестройку и смещение примесных уровней в запрещенной зоне. Дополнительный захват Н атомом примеси может приводить как к дальнейшей модификации уровней, так и к нейтрализации путем образования донорно-акцепторных пар.

5. Из анализа энгармонизма и характерэ связи Н в окрестности дефектов показано, что различие гибридизации атомов Si и наличие отрицательного заряда на атомах Н приводят к раздельному расположению Si-H полос вакансионных и междоузельных комплексов в спектре ИК поглощения.

6. Показано, что из-за существенной локальности Si-H моды сложных вэкансионных и междоузельных комплексов определяются колебаниями Н в окрестности отдельных, характерных структурных элементов комплекса. Поэтом)' наблюдаемая симметрия вакансионных комплексов может быть неотличимой от VHn, например, в экспериментах по одноосному сжатию.

7. Установлено, что Н в Si образует связи ионного типа: Si-H ионная антисвязь, комплексы Р^Н" и АТГ и ион в Si р-типа. Показано, что Н в

окрестности комплексов Р^Н" и АТГ с мелким донором и акцептором обладает акцепторным и донорным уровнями при ~Ес-0.4 эВ и ~Ev+0.3 эВ, соответственно.

8. Показано, что с увеличением дозы имплантации ионов 1-Г в Si растет роль областей разупорядочения, которые служат стоками для первичных радиационных дефектов и атомов Н и образуют зародыши "аморфных" а,- и оц.-фаз в окрестности скоплений междоузельных атомов и вакансий.

9. Проведено исследование оптической активности "водородного" донора и предложена модель 'его электронных уровней и конфигурации, в которой два атома Н локализуются в окрестности агломерата плотноупакованных атомов Si в положениях, следующих за ближайшим в плоскости {110}. Предполагается, что агломерат плотноупакованных атомов Si в плоскости {110} образуется при перестройке междоузельного Si-ВЗ центра. Переход атомов Н между двумя парами эквивалентных положений на ihj структурах обратимо меняет симметрию и электрические свойства комплекса, оставляя без изменения его колебательные свойства.

10. Установлено, что дублетное ИК поглощение при 2107, 2122 см'5 соответствует многовакансионному пассивированному комплексу, который образуется при отжиге осу-фазы. Показано, что наиболее вероятным является комплекс УбН|2, образующийся из Н-содсржащих комплексов акцепторного типа.

11. Проведено исследование модификации атомарным водородом параметров диодных структур на Si п- и р-типа. Показано улучшение вольтамперных и фотоэлектрических характеристик, а также удаление глубоких уровней в. запрещенной зоне, связанных с точечными дефектами и границами раздела. Установлено, что термическая стабильность пассивированных дефектов определяется стабильностью Si-H связей. Наличие в составе пассивированных комплексов различных примесей уменьшает термическую стабильность этих комплексов по сравнению с пассивированными собственными дефектами.

публикации по теме диссертации

1. Mukashev B.N., Kusainov Zh.A., Nussupov K.Kh., Tokmoldin S.Zh. Electrical properties of shallow implanted layers in silicon//Phys.Stat.Sol.(a).-1983.-V.78.-P.K19-K22.

2. Мукашев Б.Н., Кусаинов Ж.А.. Нусупов K.X., Смирнов В.В., Токмоддин С.Ж. Определение степени повреждения имплантированных слоев в кремнии методом элт1шсомегрщ1//Поверх-ть.Физ..х1см..мех.-1983.-Т.2,В.7.-С.68-72.

3. Мукашев Б.Н., Чокин К.Ш., Кусаинов Ж.А., Нусупов К.Х., Токмолдин С.Ж. Исследование профилей распределения ионов низкой энергии, имплантированных в кремнийШоверхность.Физ.,хим.,мех.-1983.-Т.2,В.11. -С.131-137.

4. Токмолдин С.Ж., Мукашев Б.Н., Горелкинский Ю.В., Невинный Н.Н. Определение энергетического положения Si-ВЗ центра в облученном кремнии// ФТП . -1983. -Т. 17. -С. 116 6,

5. Mukashev B.N., Tamendarov M.F., Tokmoldin S.Zh., Frolov V.V. Hydrogen implantation into silicon: Infra-red absorption spectra and electrical properties//Phys.Stat.Sol.(a).-1985.-V.91.-P.509-522.

6. Мукашев Б.Н., Тамецдаров М.Ф., Колодин JI.-Г., Смирнов В.В., Токмолдин С.Ж. Пассивирование водородом дефектных состояний на поверхности и в объеме кремния//ФТП.-1986.-Т.20,В.4.-С.773-775.

7. Токмолдин С.Ж., Мукашев Б.Н., Тамендаров М.Ф., Назарова О.А. Колебательные спектры водородосодержащих центров в кристаллическом кремнии/ЯТрепринт ИФВЭ АН Каз.ССР 88-10.-Алма-Ата, 1988.-48с.

8. Мукашев Б.Н., Токмолдин С.Ж., Тамендаров М.Ф., Абдуллин Х.А., Чихрай Е.В. Пассивация примесей и радиационных дефектов водородом в кремнии р-типа//ФТП.-1988.-Т.22,В.6.-С. 1020-1024.

9. Токмолдин С.Ж., Мукашев Б.Н., Тамендаров М.Ф. ИК активные центры в сильнолегированном кремнии, имплантированном водородом //Ж>рн.прикл.спектроск.-1989.-Т.50,В.З.-С.495-497.

10. Mukashev B.N., Tamendarov M.F. and Tokmoldin S.Zh. Isotope studies of the nature of IR-active center in c-Si:H(D)//ln: ICDS 15, ed. by G.Ferenczi, Mat. Sci.Forum (Trans Tech Publications, Switzerland 1989).-V.38-41.-P.1039-1044.

11. Abdullin Kh.A., Mukashev B.N., Tamendarov M.F., Tashenov T.B., Tokmoldin S.Zh., and Chikhrai E. V Hydrogen passivation of shallow acceptor impurities and radiation defects in p-type silicon//In Shallow impurities in semiconductors 1988, ed. by B.Monemar, Inst.Phvs.Conf.Ser. No 95 (Institute of Physics, Bristol and Philadelphia). -1989.-P.477-481.

12. Токмолдин С.Ж., Мукашев Б.Н., Тамендаров М.Ф. Изотопное исследование природы водородосодержащих центров в кремнии//Журн. прикл.спектроск. -1989.-Т.50Д2.-С.336-338.

13. Tokmoldin S., Mukashev В., Tamendarov M.F., and Chasnikova S. Optical properties of hydrogen-related shallow donor in c-Si:H//In: Defect Control in Semiconductors, ed. by K.Sumino (Elsevier Science Publishers, North-Holland, 1990).-P.425-428.

14. Mukashev B.N., Toknioldin S.Zh., and Tamendarov M.F. Vibrational spectra of hydrogen-related centres in silicon//In: Defect Control in Semiconductors, ed. by K.Sumino (Elsevier Science Publishers, North-Holland, 1990).-P.429434.

15. Tokmoldin S.Zh. and Mukashev B.N. The states of hydrogen in silicon// J.Phys.:Condens.Mattcr-1991.-V.3.-P.9363-9370.

16. Mukashev B.N., Tokmoldin S.Zh., Tamcndarov M.F., and Frolov V.V. Hydrogen passivation of vacancy-relatcd centres in silicon//Physica В.-1991,-V.170.-P.545-549.

17. Мукашев Б.Н., Токмолдин С.Ж., Тамендаров М.Ф. Водород в кремнии: состояния и эффекты пассивации//В: Тезисы 1-ой региональной конф. республик Средней Азии и Казахстана "Радиационная физика твердого тела", Самарканд, 1991.-С. 120.

18. Мукашев Б.Н., Токмолдин С.Ж., Абдуллин Х.А., Тамендаров М.Ф., Ташенов Т.Б. Модификация поверхности кремния при плазменной обработке водородом//В: "Взаимодействие ионов с поверхностью", Матер. ХВсесоюз. конф., 1991.-С. 140-142.

19. Мукашев Б.Н., Тамендаров М.Ф., Токмолдин С.Ж. Состояния водорода и механизмы пассивации примесей и радиационных дефектов в кристаллическом кремнии//ФТП.-1992.-Т.26,В.6.-С. 1124-1134.

20. Mukashev B.N. and Tokmoldin S.Zh. Hydrogen passivation of deep impurities in silicony/Доклады АН РК.-1992.-Вып,3.-С.26-30.

21. Mukashev B.N., Tokmoldin S.Zh., Frolov V.V., and Betekbaev A.A. Hydrogen in silicon: surface modification and passivation of defects and impurities//In: Advanced Materials'93, IV, Japan. - Lazer and Ion Beam Modification of Materials, ed.by I.Yamada, H.Ishiwara, E.Kamijo, T.Kawai, C.W.Allen, and C.W.White (Elsevier Science Publishers, North-Holland

1994).-P.479-482.-Reprinted from Trans.Mat.Res.Soc. Jpn.-1994.-V.17.

22. Mukashev B.N. and Tokmoldin S.Zh. Hydrogen states and passivation in silicon//In: Defects in Semiconductors 18, ed. by M.Suezawa and H.Katayama-Yoshida, Mat.Sci.Forum (Trans Tech Publications, Switzerland

1995).-V. 196-201. -P. 843-848.

23. Tokmoldin S.Zh. and Mukashev B.N. Bistability and metastability of hydrogen in Si//In: Shallow-Level Centers in Semiconductors, ed. by C.A.J.Ammerlaan and B.Pajot (World Scientific Publishing, Singapore 1996). - P.309-314.

24. Mukashev B.N. and Tokmoldin S.Zh. IR studies of Si-H bond-bending vibrational modes in Si//In: ICDS-19, ed by G.Davies and M.H.Nazaré, Mat.Sci.Forum (Trans Tech Publications, Switzerland 1997).-V.258-263.-P.223-228.

25. Киккарик С.М., Мукашев Б.Н., Тамендаров М.Ф., Токмолдин С.Ж. Спектры поли- и монокристаллического кремния для солнечных элементов, измеренные нестационарной спектроскопией глубоких уровней/УПисьма в ЖТФ.-1997.-Т.23.-№4.-Р.47-50.

цитируемая литература

1. Schwuttke G.H., Bruck К., Gorey E.F., Kahan A., and Lowe L.F. Resistivity and annealing properties of implanted Si:H//Rad.Eff.-1970.-V.6.-P. 103-106.

2. Ohmura Y., Zonta Y., and Kanazawa M. Electrical properties of n-type Si layers doped' with proton bombardment induced shallow donors//Sol.Stat. Comm.-l972.-V.ll.-P.263-266.

3. Stein H.J. Bonding and thermal stability of implanted hydrogen in silicon//J.Electr.Mat.-1975.-V.4, N.I.- P. 157-174.

4. Sah C.-T.,Sun J.Y.-C.,Tzou J.J., and Pan S.C.-S. Deactivation of group III acceptors in silicon during keV electron irradiation//Appl.Phys.Lett.-1983.-V.43,N. 10.-P.962-964.

5. Pankove J.I., Wance R.O., Berkeyheiser J.E. Neutralization of acceptors in silicon by atomic hydrogen//Appl.Phys.Lett.-1984.-V.45.-P. 1100-1102.

6. Pearton S.J. The properties of hydrogen in crystalline silicon//ICDS-13, 1984.-J.Electr.Mater.-1985.-V.14a.-P.737-743.

7. Mukashev B.N., Nussupov K.H., Tamendarov M.F., Frolov V.V. On the identification of the vibrational spectra in hydrogen implanted crystalline silicon//Phys.Lett.-1982.-V.87A,N.7.-P.376-380.

8. Pearton S.J. Hydrogen passivation of y-induced point defects in silicon// Phvs.St.Sol. (a).-1982.-V.72.-P.K73-K75.

9. Pearton S.J., Corbett J.W. and Stavola M. Hydrogen in Crystalline Semiconductors. Springer Series in Mater.Sci. 16 (Springer-Verlag, 1992).-363p.

10. Cardona M. Vibrational spectra of hydrogen in silicon and germanium// Phys.Stat.Sol.(b).-1983.-V.118.-P.463-481.

11. Bean A.R. and Newman R.C. An infrared study of defects produced in n-type silicon by electron irradiation at low temperatures//Sol.St.Comm.-1971.-V.9,N.4.-P.271-274.

12. Lindstrom J.L. and Svensson B.C. Oxygen-related defects in silicon// Oxygen, Carbon, Hydrogen and Nitrogen in Crystalline Silicon/Ed.bv J.C.Mikkelson, S.J.Pearton, J.W.Corbctt, S.J.Pennycook.-MRS Svm.Proc., 1986.-V.59.-P.45-58.

13. Nielsen B.B. and Grimmeiss H.G. Effect of uniaxial stress on local vibrational modes of hydrogen in ion-implanted silicon/Phys.Rev.B.-1989.-V.40,N.-P. 12403-1241*5.

14. Горелкинский Ю.В., Невинный H.H., Ботвин В.А. Особенности формирования мелких доноров в кремнии при внедрении ионов

водорода//Межд.конф. ион.импл.в полупров.-ГДР, Рейнхардсбрунн. 1977.-Т.1.-С.5-14.

15. Gorelkinskii Yu.V. and Nevinnyi N.N. Reversible transformation of defects ir hydrogen-implanted siUcon//Nucl.Instr.Meth.-1983.-V.209/210.-P.677-682.

16. Corelli J.C., Mills D., Graver R., Cuddeback D., Lee Y.H., Corbett J.W Electronic excitation bands in irradiated silicon//Rad,Eff.in Semicond. 1976. ■ Inst.Phys.Conf., Ser.No.31.-Bristol and London.-1977.-P.251-257.

17. Deak P. and Snyder L.C. Dihydrogen complexes in silicon// Rad.Eff.anc Def.in Solids.-1989.-V. 11 l&l 12.-P.77-81.

18. Johnson N.M., Herring C. and Chadi D.J. Interstitial hydrogen anc neutralization of shallow-donor impurities in single-crystal silicon// Phys.Rev.Lett.-1986.-V.56,N.7.-P.769-772.

19. Denteneer P.J.H., Van de Walle C.G., Pantelides S.T. Microscopic structure ol the hydrogen-phosphorus complex in crystalline silicon //Phys. Rev.B.-1990.-V.41.-P.3885-3888.

20. Bergman K., Stavola M., Pearton S.J. and Lopata J. Donor-hydroger complexes in passivated silicon//Phys.Rev.B.-1988.-V.37,N.5.-P.2770-2773.

21. Zheng J.-F. and Stavola M. Correct assignment of the hydrogen vibrations oi the donor-hydrogen complexes in Si: A new example of Fermi resonance// Phys.Rev.Lett.-1996.-V.76, No,7.-P.l 154-1157.

22. Chang K.J. and Chadi D.J. Theory of hydrogen passivation of shallow-level dopants in crystalline silicon//Phys.Rev..Lett.-1988.-V.60.-P. 1422-1425.

23. Вильсон E., Дешиус Вж., Кросс П. Теория колебательных спектрм молекул - М.: Иностр.лит., 1960. - 357 с.

24. Van de Walle C.G., Denteneer P.J.H., Bar-Yarn Y., and Pantelides S.T Theory of hydrogen diffusion and reactions in crystalline silicon// Phys.Rev.B.-1989.-V.39, N.15.-P.10791-10808.

25. Gorelkinskii Yu.V. and Nevinnyi N.N. Electron paramagnetic resonance oi hydrogen in silicon//Physica B.-1991.-V.170.-P.155-167.

26. Kreitzman S.R., Hitti В., Lichti R.L., Estle T.L., and Chow K.H. Muon-spin-resonance study of muonium dynamics in Si and its relevance to hydrogen// Phys.Rev. B.-1995.-V.51,No. 19.-P. 13117-13137.

27. Holm В., Nielsen K.B. and Nielsen B.B. Deep state of hydrogen in crystalline silicon: evidence for metastability//Phys.Rev.Lett.-1991.-V.66, No.18.-P.2360-2363.

28. Johnson N.M., Herring C., and Van de Walle C.G. Inverted order of acceptoi and donor levels of monatomic hydrogen in silicon// Phys.Rev.Lett.-V.73,No.l.-P. 130-133.

Токмолдин Сер!кбол Жарылгапулы

КРИСТАЛДЫК КРЕМНИЙДЕП АК.АУЛАРДЫ АТОМДЫК, СУТЕГТМЕН ПАССИВАЦИЯЛАУ

Диссертация атомдык сутеп аркылы крисгалдык кремиийдеп акауларды баскарудьщ физикалык, непзше арналган. Кремиийдеп сутеп куйшщ зарядшк-пшиндемелис модел! зерттелшш жасалынган, соньщ непзшде сутепнщ акаулармен эрекетгеспгшщ жэне тыйым сальшган аймактагы акау дедгейлершщ езгерушщ феноменолопылык, cypeTreMeci бершгед. Жергшисп тербелютщ спектр!, нуктелщ акаулардьщ тендрепндеп сутепнщ байланыс сипаты жэне непзп сутеп сактайтьш жыйьштьщтыд микрокурылымы зертгелшген. К,оспалар жэне олардьщ алгашкы акаулармен жиынтыктарьшьщ тендрепндеп узшген байланыстарды сутеп атомдарымен эшекейлеу тыйым салынган аймактагы коспалык дедгейлер/цц езгеруше жэне ыгасуына экелш согатьшы керсетшген. К,оспаньщ косымша сутеп атомдарьш кармауы дедгейлерди! api карай езгеруше жэне донорлык,-акцепторльщ жуптар аркьшы бейтараптануьша экеледа. "Meraniicri акау-сутеп" шатан донорлык; жиьппъпъшьщ оптикальщ белсендшил табылган жэне оныд электроддык дедгейлер! мед шшшдемесшщ модел! усыньшгаи.

Tokmoldin Serikbol Zharylgapovich

PASSIVATION OF DEFECTS IN CRYSTALLINE SILICON BY ATOMIC HYDROGEN

The dissertation is devoted to physical bases of defects control in crystalline silicon by atomic hydrogen. A charge-configurational model of hydrogen states in silicon is developed on the basis of which the phenomenological description of hydrogen-defect interactions and modification of defect levels in the forbidden gap is given. The studies of local vibrations spectra, the character of hydrogen bonding in the vicinity of point defects and main hydrogen-related complexes microstructures is performed. Is shown that the decoration of dangling bonds in the vicinity of impurities and their complexes with primary radiation defects by hydrogen atoms causes modification and displacement of impurity-related levels in the forbidden gap. The capture by an impurity of additional hydrogen atoms can result both in the further modification of levels as well as neutralization by formation of donor-acceptor pairs. The optical activity of a shallow donor type "hydrogen-intrinsic defect" complex is found and the model of its electronic levels and configurations is offered.