Поверхностная ЭДС в дисклокационнах кристаллах кремния тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РГ Б 'ОД

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

1 6 ЯНВ 1995

На правах рукописи УДК 621.315.592

Нови« Андрея Владимирович

ПОВЕРХНОСТНАЯ ЭДС В ДИСЖКАЦКОШВСС КРИСТАЛЛАХ КРЕМНИЯ

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МИНСК 1994

Работа выполнена на кафедре физики полупроводников Белорусского государственного университета

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук,

профессор ПАТРИН А.А.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук,

профессор БОРИСЕНКО В.Е.

кандидат технических наук,

доцент СУСЛОВ В.А.

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ : Институт электроники АН РБ

Защита состоится "./4./.^¡р&ЛШ&т. в './X.. часов на заседании специализированного совета Д 056.03.05 в Белорусском государственном университете (220080, республика Беларусь, г.Минск, пр-кт Ф.Скорины 4, университетский городок, главный Корпус, комната 206).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан •'.. . .^^^Т^/?»* 1994 г.

ученый секретарь Совета

доцент ■ В.Ф. СТЕЛЬМАХ •

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы:

Исследования полупроводниковых материалов с использованием поверхностной -эде позволяют определять значения целого ряда параметров, таких как. время жизни носителей заряда, диффузионная длина, распределение поверхностных потенциалов, глубина залегания р-п перехода, и. т.д. В то лее время, формирование поверхностной с эде в полупроводниковых кристаллах является тем процессом, на котором основана работа фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии (ФЭП). Диффузионная длина (Ьа) является одним из основных параметров, определяющих эффективность работы солнечных элементов. Определение диффузионной длины из спектров поверхностной эде интересно тем, что материал анализируется с помощью физических процессов, функционально близких к процессам лежащим в основе работы ФЭП, создаваемых из этих материалов.

С целью снижения стоимости удельной мощности ФЭП наибольшие перспективы представляет использование дешевых, а следовательно, несовершенных полупроводниковых материалов, содержащих высокую концентрацию структурных дефектов, в том числе дислокаций., при сохранении достаточно высоких характеристик для преобразователей световой энергии в электрическую. Однако, более глубокой проработки требуют такие вопросы материаловедения как; механизмы генерации дислокаций в материале, в ходе проведения тех или иных технологических операций; влияние дислокаций на характеристики материалов и приборов; использование различных механизмов нейтрализации дефектов для создания и совершенствования изделий микроэлектроники; изучение с помощью дефектов (в частности дислокаций) специфики физических явлений происходящих в одномерных системах и ряда других.

Цель» настоящей работы является исследование влияния дислокаций на величину поверхностной ЭДС, спектральное распределение фото-эде в кремнии и решение на базе этих исследований задачи расчета диффузионной длины (Ь^) в дислокационных кристаллах , а, также изучение влияния некоторых технологических операций, используемых при производстве фотопреобразователей, на электрическую и рекомбинационную активность дефектов в кремнии.

Научная новизна работы зг ¡сличается в следующем:

1.Впервые обнаружено, что дислокации в кремнии обладают активность», проявляющейся в спектра?: поверхностной фото - эдс как однородная полоса гашения в области спектра 0.6-1.0 мкм с минимумом в области 0.95 мкм и предложена схема энергетических уровней и оптических переходов для интерпретации этого результата.

2.Показано, что в пластически деформированных при температуре Та - 750 °С монокристаллах кремния рекомбинационные процессы (параметр контролируются плотностью дислокаций, и зависимость диффузионной. длины от плотности дислокаций может быть описана в предположении, что дислокации являются основными невзаимодействующими друг с другом центрами рекомбинации в интервале плотности дислокаций от 105 до 108см-2 . Найдены численные аппроксимации зависимости от N<1 для различных материалов.

3. Показано, что в пластически деформированных кристаллах кремния исходное состояние поверхности материала определяет однородность распределения по глубине рекомбинационно-активных центров дислокационной природы и спектральное положение описанной выше полосы гааения.

4.Установлено, что при зарождении дислокаций в образцах, имеющих на поверхности слой окисла, эаряд встроенный в слой окисла, оказывает влияние на формирование дислокационных атмосфер.

5.Впервые обнаружены и визуализированы с помощью эдс наве-' денной электронным лучом, протяженные электрически активные дефекты на поверхности кремния р-тила, стимулированные операцией лазерного скрайбирования. Рассчитана теоретическая зависимость контраста изображения в режиме наведенного тока от высоты естественного потенциального барьера, на котором осуществляется разделение носителей заряда.

Практическая значимость настоящей диссертационной работы заключается в том, что полученные в работе данные о пространственном распределении рекомбинационно-активных центров дислокационной природы, результаты по анализу влияния некоторых технологических операций на активность дефектов в кремнии, а следовательно и назначения диффузионной длины (Ьс1) могут быть использованы в ходе совершенствования технологии производства фотоэлектрических преобразователей и других полупроводниковых • приборов на основе кремния.

На защиту выносятся следующие положения:

1.Фотоэлектрическая активность дислокаций в приповерхностной области кристаллического S1 проявляется в виде спектральной полосы гашения сигнала фото-эдс на границе кремний-электролит. Энергетическое положение и интенсивность полосы гашения существенно зависят от состояния поверхности кремния перед введением дислокаций пластической деформацией, с 2.Экспериментальное обнаружение и модель формирования поверхностной эдс наведенной электронным лучом в p-Sl, за счет разделения электронов и дырок на естественном поверхностном потенциальном барьере.

Аппробация работы:

Основные результаты работы представлялись на V Всесоюзном совещании по материаловедению (Москва, 1990), на VIII координационном совещании по исследованию и применению твердых растворов кремний-германий (Ташкент, 1991), EMRS Spring Meeting (Страсбург 1992), на Европейской конференции по физике твердого тела (Ре-генсбург, 1993), Республиканской научно-практической конференции "Метрология 94" (Минск,1994) и опубликованы в б печатных работах.

Структура.и объем диссертации:

Диссертация изложена на 124 страницах, включая 34 рисунка, 2 таблицы и список литературы на 132 наименования.

Краткое содержание работы:

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель работы, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, а также основные положения выносимые на защиту.

В первой главе приведено описание метода поверхностной фото-эдс в системе полупроводник-электролит. Рассмотрены электронные свойства поверхности кремния для ее различных физико-химических состояний: атомарно-чисток поверхности; поверхности, ¡защищенной пленкой диэлектрика-, поверхности в контакте с проводяцей средой (металл,.электролит). Рассмотрено влияние структурных несовершенств поверхности и приповерхностной области кремьия на

формирование поверхностной фото-эдс. Проведен анализ влияния технологических операций на формирование и подавление рекомбинацион-но-активных центров в объеме и приповерхностной области монокристаллического кремния.

Влюрая глава посвящена описании методики подготовки образцов и проведения экспериментов. Для исследований использовались монокристаллы кремния с плотностью дислокаций до Ю8см"2 сформированной методом пластической деформации. Приведено также описание экспериментальной установки для исследования спектров поверхностной фото-эдс в системе полупроводник-электролит и методики расчета значений 'диффузионной длины (Ьа) из спектральных зависимостей сигнала фото-эдс.

Треть я глава посвящена описанию метода наведенного электронным лучом тока (НТ), возникающего вследствии формирования эдс на поверхности, использованного нами для исследования монокристаллов кремния.

Применяемая схема схс^на с известной из литературы [1], согласно которой на поверхности образца формируется локальная контактная площадка, под которой находится разделяющий носители барьер и сканирование электронным лучом осуществляется в непосредственной близости от неб. В этом случае контакт к поверхности - барьерный. Отличие использованного нами варианта от классического заключается в том, что в нашем случае формируется близкий к омическому контакт. Это идет в разрез с приведенными в литературе данными, но однако сигнал НТ существует и достаточно уверенно фиксируется в окрестности контакта до 3-х мм и уменьшение его на порядок наблюдается на расстоянии порядка 6 мм, против 1-2 мм для барьерных структур. Формирование "аномального" РЭМ НТ возможно за счет разделения носителей на потенциальном барьере, существующем на поверхности полупроводника. Этог барьер всегда присутствует на реальной поверхности полупроводника и обеспечивает разделение почти всех генерированных пар носителей и его высота может достигать 20-50 мэВ '[2,3]. Ослабление сигнала "аномального" НТ происходит в случае, когда по поверхности образца от точки зондирования электронным лучем до контактной площадки может протекать ток. Малая высота барьера предпочтительна при реализации предложенного метода, т.к. барьер малой высоты весьма чувствителен к дефектам со слабой электрической активностью, которые способны модулиро-

вать высоту барьера. Разделение пар носителей на барьере способствует формированию контраста аномального РЭМ НТ.

На основании теоретических расчетов, позволяющих из профилей линейного сканирования в РЭМ определять значения диффузионной длины исследуемых материалов, рассчитана теоретическая зависимость контраста изображения в режиме наведенного тока от высоты поверхностного потенциального барьера, на котором осуществляется с разделение носителей заряда.

В четвертой главе приведены результаты исследования влияния дислокаций на спектр поверхностной фото-эде и значения диффузионной длины носителей заряда в сильнодислокационных .фисталлах монокристаллического кремния пир типов с удельным сопротивлением 0.5, 4.5-10, 40-150 и 1300-1800 Ом см с плотностью дислокаций

Мс1~107СМ~2.

Показано, что спектр поверхностной фото-эде для кремния в контакте с электролитом содержит 3 участка (рис.1).

'.40 0.60 0.80 1.00 1.20 длина волны ,мкм

Рис.1. Спектры фото-эде недсформированного и деформированного монокристаллического кремния р-типа, р=10 Ом.:м; 1-до деформации, 2-край образца (Иа-ЛО2 см-2),3-це^тр образца (Ыа~108см"2).

- длинноволновой участок увеличения ПФЗДС с X - 1.1 - 0.88 мкм,

- участок насыщения ПФЭДС с А =0.88 - 0.6 мкм и

- участок коротковолнового спада ПФЭДС с А » 0.6 - 0.45 мкм

Установлено, что для образцов с плотностью дислокаций в диапазоне 107-108см ~2, спектр изменяется весьма существенно. При сохраненил начального, длинноволнового участка и незначительного спада при А=0.5 мкм, в основной части от 1.0 до 0.5 мкм характер спада определяется областью гашения, развившейся, как видно, в полосу с максимумом (на спектре минимум значения U) в области 0.95 мкм. Степень гашения сигнала в области АО.95 мкм достигает целого порядка.

Предложена модель, согласно которой наблюдаемая полоса гашения сигнала фото-эдс является следствием проявления активности дислокационных состояний с энергией активации больше Eg-. Сущест-вовгшие таких состояний и обеспечение высокой их активности на фоне межзонных переходов может быть связано с непрямой, невертикальной структурой энергетических зон в кремнии. Для этого необходимо предположить, что на энергетической диаграмме в пространстве энергия-импульс существуют дислокационные локальные состояния, расположенные по вертикали, например, над потолком V-зоны лри к=0 на расстоянии 1,3-1,4 эВ. Оптические переходы на такие состояния носят прямой характер и поэтому их вероятность существенно повышается по сравнению с невертикальными переходами.

Установлено, что значения Ld в сильно дислокационных областях резко понижены по сравнению с малодислокационными и составляют единицы микрометров. На основании измеренных значений Ld были построены зависимости этого параметра от величины Nd независимо для трех групп исследованных образцов с различным исходным удельным сопротивлением : р»40 -150 ом см (n-типа), р=0.5 ом см (р-ти-па), р »1300 - 1800 ом см'( р-типа).

В пятой главе представлены результаты исследования влияния состояния поверхности на спектры фото-эдс и рекомбинационную активность центров, дислокационной природы. Приведены спектры ПФЭДС полученные для образцов с предварительно шлифованной поверхностью перед проведением пластической деформации. Измерения проводились с послойным стравливанием образцов. Толщина стравливаемого перед каждым измерением слоя составляла 10-12 мкм. При анализе получен-

ных спектров установлены следующие закономерности: участок длинноволнового роста сигнала ПФЭДС становится более пологим по мере удаления от первоначальной поверхности. Полоса гашения сигнала фото-эдс приобретает более ярко выраженный характер, и проявляется в области длины возбуждающего света 0.88мкм (рис. 2).

Рис, 2. Спектры пфэдс для образцов с предварительно шлифованной поверхностью, кремний р-типа, р=«10 Ом см; 1- после проведения пластической деформации, 2- после стравливания слоя 20 мкм, 3- после стравливания слоя 40 мкм.

По мере удаления от исходной поверхности образца (по мере увеличения толщины стравленного слоя ) полученный спектр приобретает вид характерный для спектра сильнодислокационного образца, без предварительной специальной обработки поверхности. Значения диффузионной длины по мере стравливания образца монотонно возрастают и достигают максимума при толщине стравленного слоя 45-50 мкм, что существенно больше, чем толщина нарушенного слоя.

Полученные результаты позволяют сделать выводы, что: 1.Введение дислокациий в условиях высокой концентрации центров зарождения приводит к смещению описанного нами дополнительного дислокационного уровня на зонной диаграмме вверх от потолка У-зоны, и как следствие этого, описанные нами вертикальные переходы происходят при более высоких значениях энергии

1.0

о.о

, -,-,---,--,-1--г-

0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 длина волны,мкм

возбуждающего света.

2.Введение дислокаций, в условиях механически нарушенного поверхностного слоя, приводит [4,5] к формированию неравномерной рекомОинационной активности дислокационных центров в приповерхностной области материала, и как следствие этого значения диффузионной длины монотонно возрастают в направлении от поверхности вглубь образца и достигают своего максимума на глубине порядка 45-50 мкм.

При анализе взаимодействия дислокаций с термоокислом и проявлении этого взаимодействия в спектрах ПФЭДС установлены следующие закономерности:

- введение дислокаций в присутствии термоокисла приводит к смещению спектра фото-ЭДС (за исключением длинноволновой части) в сторону больших длин'волн для кристаллов п-типа, и меньших длин волн для кристаллов р-типа .

Это может быть объяснено воздействием встроенного в окисел положительного заряда на процесс формирования дислокаций и проявлением остаточных изменений в структуре дислокаций приповерхностной части образца; - влияние термоокисла на дислокации ограничивается только приповерхностным слоем, что подтверждается одинаковым характером длинноволнового спада в спектрах фото-ЭДС, полученных на кристаллах с дислокациями, введёнными как в присутствии окисла, так и без него. Толщина слоя БЮг выращенного на поверхности образцов в явном виде не определяет величину смещения спектров ПФЭДС для кристаллов р - типа.

В этой же главе представлены результаты исследования процесса генерации активных центров в результате лазерного скрайбирую-щего воздействия.

Визуализирована дефектная структура в виде сетки рекомбина-ционно-активных областей простирающейся на расстояние по крайней мере до 5 мм от линии лазерного скрайбирования. Сетка ограничивает дефектные блоки с практически однородным контрастом на РЗМ-НТ изображениях и в высокой степени упорядочена в соответствии с кристаллографической ориентацией плоскости поверхности образца. Закономерным является совпадение части узлов сетки с линией лазерного, скрайбирования. Приведены результаты расчета значений диффузионной длинь*'в некоторых из наблюдаемых блоков. При сравнении значений, рассчитанных применяемыми нами методиками, для од-'

ного и того же материала значения различаются не более 5-7Х. Установлено, что значения мевду соседними блоками различаются на 15 - 20 7. (что в принципе и соответствует различной реком-бинационной активности блоков ) и составляют не более 707. от величины значения диффузионной длины для этих же кристаллов, но измеренного методом фото-эдс вне линии лазерного скрайбирования.

В заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Обнаружено, что дислокации в кремнии обладают фотоэлектрической активностью проявляющейся как полоса гашения сигнала фото-эдс в области спектра 0.6-1.0 мкм с максимумом гашения в области 0.88-0.95 мкм. Спектральное положение и интенсивность полосы гашения определяются дислокационной структурой, формирование которой задается характером механической обработки поверхности материала до введения дислокаций.

2. Установлено, что введение дислокаций в условиях существования механически нарушенного поверхностного слоя приводит к формированию, спадающей вглубь кристалла, рекомбинационной активности центров дислокационной природы. Величина диффузионной длины (Ьс|) увеличивается по мере удаления от поверхности образца при послойном стравливании до глубины 45-50 мкм.

3. Обнаружено, что введение дислокаций в образцы 51 со сформированным на поверхности термоокислом приводит к смещению длинноволнового крыла спектра фото-эдс (0.6 - 0.9 мкм) в длинноволновую для материала п-типа, и в коротковолновую область для р-типа. Это объясняется наличием дополнительного потенциального барьера за счет модифицированных Коттрелловских атмосфер в поле постоянного, встроенного в окисел заряда.

4.Показано, что в дислокационном кремнии в запрещенной энергетической зоне, существует уровень с энергией активации больше Ее, захват носителей заряда на который вызывает эффект гашения сигнала фото-эдс в области энергии возбуждающих фотонов 1.2-2 эВ. Энергетическое положение уровня дислокации в запрещенной зоне (на 1.3-1.4 эВ над потолком У-зоны) определяется дислокационной структурой.

5. Обнаружена и визуализирована дефектная структура в виде сетки рекомбинационно-активных областей в приповерхностном слое монокристаллов р-Б1, образование которой стимулировано операцией лазерного скрайбирования. Эти области локализованы в полосе до

5мм от линии скрайбирования. Значения длины диффузии электронов в соседних областях различаются на 15-20 7. и составляют не более 707. от значений для этих же кристаллов вне полосы наблюдаемых областей.

6. Рассчитана зависимость устанавливающая взаимосвязь между контрастом ЕВ 1С изображения исследуемой поверхности кремния и распределением на ней поверхностного потенциала с учетом разделения носителей заряда на естественном барьере, высота которого модулируется электрически активными дефектами.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Патрин A.A., Новик A.B., Хо Тхи Фыок Хоай. Влияние дислокаций на спектр поверхностной фото-эдс монокристаллического кремния.- Деп. ВИНИТИ N3702-В91. 1991.

2. Патрин A.A., Новик A.B., Хо Тхи Фыок Хоай. Диффузионная длина носителей заряда .в дислокационных кристаллах кремния. - Деп.ВИНИТИ. N3701-B91, 1991.

3. Патрин A.A., Лукьянов А.Е., Бутылкина H.A., Новик A.B., Потеха C.B. Визуализация активности периферийных дефектов в кремнии, стимулированных локальным лазерным пучком. -Известия Российской академии наук, Сер. физическая,1992, т.56,N3,с.50.

4. Патрин A.A., Дроздов H.A., Новик A.B., Овчинникова Т.А., Бо-уба А.И., Анвар М. Рекомбинационные параметры профилированного кремния легированного германием.-VIII Координационное совещание по исследованию и применению сплавов германий-кремний. Тезисы докладов. Ташкент, 1990, с.60.

5. Patrin A.A., Drozdov N.A.. Novik А.V..Bouba A.I. Analysis of the recombination properties of Si<Ge> ribbons.- Materials of International Conference on elektronic materials. Strasbourg, 1992.

6. Patrin A.A., Drozdov N. A., Novik A.V., Bouba A.I. Recombination properties of Si-Ge ribbons.- Europhysics conference abstracts, ser. 5.-1993.V17.A-P1398.

Цитируемая литература: 1. Leamy H.J.. Charge collection scanning electron microscopy. -J.Appl.Phys., 1982, V.53, N6, p.R51-R80.

а. Люков,В.Г., Арзамасцев А.П. Влияние ионной имплантации на поверхностные потенциальные барьеры в кремнии. - Известия АН СССР, сер.физическая, 1990, т.54. в.2, с.321-322.

3. Patrln А.А., Luk'yanov А.Е., Anomalous EBIC contrast In SI wafers.- Scanning, 1990. v.2, p.334-336.

4. Родес О.Г. Несовершенства и активные центры в полупроводни-ках:Под ред. С.С.Горелика.- Москва: Металлургия, 1968.

5. Vu.Thuong-Quat, Eichhamer W., P.Siffert. Inhomogeneous defect activation by rapid thermal processes in silicon Appl.Phys.Lett., 1989, v.54, N13.p.1235-1237.

РЕЗЮМЕ

С использованием методики поверхностной фото-эдс и эдс индуцированной электронным лучом, исследовалась электрическая и ре-комбинационная активность дислокаций и других структурных дефектов в кремнии, невысокой степени совершенства используемого для производства фотоэлектрических преобразователей.

Получены следующие результаты:

Обнаружено, что дислокации в кремнии обладают фотоэлектрической активностью проявляющейся как полоса гашения сигнала фото-эдс в области спектра 0.6-1.0 мкм с максимумом гашения в области 0.88-0.95 мкм.' Рекомбинационная активность центров дислокационной природы, проявляющаяся в спектральных зависимостях фото-эдс, определяется исходным состоянием поверхности материала перед введением дислокаций. С использованием эдс индуцированной электронным лучем обнаружена и визуализирована дефектная структура в виде сетки рекомбинационно-активных областей в приповерхностном слое Монокристаллов p-Si, образование которой стимулировано операцией лазерного скрайбирования. Расчитана зависимость устанавливающая взаимосвязь между контрастом ЕВ1С изображения исследуемой поверхности кремния и распределением на ней поверхностного потенциала с учетом разделения носителей заряда на естественном барьере, высота которого модулируется электрически активными дефектами.

RESUME

Electric and! recombination activity of dislocations and other structural defects in low level perfective silicon, used in creating photoelectrical solar elements was investigated with the

surface photo-EMF and EMF induced by an electron beam.

Next results have been obtained. .

It was found, that dislocations in silicon had photoelectrical activity. It observed, as a sigrEMF decrease region in spectrum area from 0.6 to 1.0 mkm, with" decrease maximum in the area from 0.88 to 0.95 mkm.. Recombination activity of dislocations nature centers, observed in spectrum dependence of EMF, determined by an initial state of surface of the material before dislocations introduced. Defects structure was found and observed with the use of EMF Induced by an electron beam. It was like a recombination activity defects net, was stimulated by the operation of laser cuts. Dependence between EB1C contrast and surface potential distribution was calculated.

РЭЗЮНЕ

3 вькэрыстэннем методык! пзверхнявай фота-эре i эре шдуцмрэ-ванэи злегахстмым премянем, даследевалэся элвкхрычнэя i рэкзмбпо-цыйная зкткунэсць даслэкэчый i 1ншык структурных дэ^егаэу у крэмнП невисокэй cryneHi дэскавзлзсф. як! выкэрыстсуваегда для вьпворчзс-цг фстгааткктрычных перэут&зрэлып ьозу.

АтрьМЗНЫ НЭСГУПНЫЯ BUHiKi.

Паказана, што дыслзкзцьп у крэътИ ваюдэюць фегаэдагарычнай эютукэпро, якая выяуляецца, ж палэса гашэння сигналу у чзстцы спектра ад 0.5 да 1.0 mkm, з мзкс1мумэм гашэння у ео6тисц1 0.83 -0.95 ш. Рэкзмб1нацыйная акгыунэсць цзнграу дыс^о&эцыйнай природа, ясая выяуляевда у спектрах $аха-эрс, абумоул1ваецца зынодным стана--! пэверкн! мэтэрыялу перзд йар.Цраваннем дыслэкаиый. 3 вьа-ирыстаннем эре, i нду цырават ей злэклрэншм прамянем, выяуленз дефектная структура у выглядзе ceuci рэкэмб!нацьйнэ-агаыуных Еоблэсцей на паверхт данэкрьшгаляу крэмШя, э' явление шей сткмулявана аперацыяй лазер-пай рээк1. Разломана зэлвжнасць лам!» кздтрастэм ЕШС-адоюсгаавзння деслэдваемэй naaepxHi i раздар-эва! ша.1 на ей паверхнявык пэпэнцыя-лау, э ул1кгм дэялення носьб!тау зэрадо на природами бею'еры, вшы-ня якога мадулоееда злвкгоычна зкгыуньм1 дефектам i.

- и -