Влияние изовалентной примеси олова на термическое и радиационное дефектообразование в кремнии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ

КРАСЬКО Мгкола Миколайович

УДК 621.3 І 5.592

ВПЛИВ ІЗОВАЛЕНТНОЇ ДОМІШКИ ОЛОВА НА ТЕРМІЧНЕ ТА РАДІАЦІЙНЕ ДЕФЕКТОУТВОРЕННЯ В КРЕМНІЇ

. 01.04.07 - фізика твердого тіла

АВТОРЕФЕРАТ дисертації їіа здобуття наукового ступеня ' кандидата ф ізи ко - м агек і аги чл их наук

Київ-2000

Дисертацією с рукопис

Робота вигонами у відділі фііики радіаційних іі|х>иесів '

Інституту фізики ПАН України

Науковий керівник: доктор фізнко-математичних наук

КраІІчішськмй Ап» голій Миколайович,

провідний на>копий співробітник Інституту фізики НАН України

Офіційні опонекпі: доктор фізнко-матсматнчннх наук, професор

Бабич ІИлік Максимович,

завідувач відділу Інституту фізики напівпровідників НА1І України

доктор фіїнко-магематичних наук, професор Лімоиченко Петра Григорович,

завідуиач відділу НЦ "Інститут ядерних досліджень” НАН України

Пробідна установа: Ктнськнй ііаііюи&ііиній університет імені Тараса ИІенчснкі,

фізичний факультет, кафедра радіаційної фішки

>о

Захист відбудетьс» “е£& "?<С*Сі&7';орр р. о год. на засіданні

снеціаліюваноїпченої ради Д 26.159.01 и Інституті фізики НАН Украйи игресою: 03650, МПС, Киїа-39, проси. Науки, 46.

З диссріацігю можна рліиЧоцюнск в бібліотеці Інституту фізики ІІАІІ України »а шцхсоїо: 03650, МНС, Кі'.їа-19. npi.cn. Науки, 46.

Автореферат розісланий

,2000 р.

Вчений секретар спеиилізоїшюі вченої ради

Іиіук В А.

*АГАЛІ»НЛ ХАРАКТЕРИСТИКА РОКОТИ

Актуальнісп. іемн. Основним матеріалом сучасної і перспективної творчої Іді.иої мікрослектропікн ‘ кремній (Si). На дикий момент встановлено. що «міна с.іскірофіш'їннч властивостей кремнію при опроміненні або термообробці (ТО) зумовлена утворенням стабі'н.них радіаційних або термічних лефекіін. Присушиш» них лсфсіггін прмяодиіь до дсфадаиії електричних іа рекомбінаційних параметрів Si і «итн.ччгіг повсліияу приладів на йот основі н реальних умовах скепдуаіації. Тому дослідження процесів тінмолії рітих та походженням де<{>екі in в кремніїг актуальним і перспективним як л іочки тору розкриття природи процесів. гак і для шстосування результатів дослідження на практиці.

Дослідження впливу радіаційних і термічних дефекїів на властивості St носпйно поілнблююіься і роїширк'кпи'я Так. детально ки<*чено характер імін електрофпнчннх параметрі» Si в талежності віт йою домішкового складу, умни опромінення та характеру термообробок. Ідентифіковані рінні основних термічних і радіаційних дефектів. вивчена їх термічна стабільність. Досягнуто иіачних успіхів в розумінні будови та влаеінвоск'й даних дефектів, ш'ячку т вихідним ломішковим фоном. Рсіульїаш них досліджень пикорнсншуіпіься для ціденанравленої тмінь* властивостей напіннр*>він/икчтих матеріалів і приладі» Але нробіема радіаційної і термічної стабільності Si все ще далеку від спот остаточного вирішення. Цс пов'язано і тим. то ‘кишіїимоться невиясисиими баїмо факіоріа, які напинають на утворення електрично активних термічних і радіаційних дефектів. Н числі таких факторів -- іегутшшя кремнію ковалентними домішками (ІВД).

Хоча ПІД в напівпровідникових кристалах не г електрично активними центрами. Гх вплив на властивості Si може визиачаїиси полями пружних напружень, які виникають внаслідок невідповідності ковалентних радіусі» а гомін матриці Si і леїуючої домішки. Останні, в t мю Чергу, можуть суптво впливати на стан ансамблю точкових дефектів кристалу та процеси дефектно» домішкопої віагмодії при опроміненні та ТО. Тим самим відкриваються нові можливості для використання легування ШД як одного і методів керуодшя властивостями Si, особливо такими важливими при виробництві га експлуатації приладів характеристиками. як термічна та радіаційна стійкість. '

Незважаючи на значну кількість проведених досліджень, до цим о ча.у процеси радіаційного і термічного дефектоутворення а кремнії і пов^ленгшшн доміцш’^н вивчені недостатньо. Бічьш того, відсушс однозначне трактувани* професій* які відбув югьсї ігри опроміненні чи ТО Si. легованого ШД. W повній мірі скатане виносити:« до лсіуу.а' ля креиш*о оловом (Sn). Легування кремнію важкими гюьадснтними домішками war ряд г труднощів. Тому на даний момент віломо відносно мало робгг, лрись'я'юаг> мікчзді''о

опроміненого чи тсрм<н>броблсно«о крсмнік* ч дооцінкоюоіюиа lSi<Sn>). Гшлаиня оіримаї и нову інформацію про шшш Sn на процеси термічною 1 раліаційноіо дефект оутнорення в Si і передумовою мсту і а конкретні напрямки ЇЇ pca.ii іаіиі ь дисеріашшіій робо j і.

ІіГяіок поГннк і нзїкрвнуні нінн рачалщ. темами. Дисертаційні дос;ііл*єні»я іши’яі«ші і масіуіінош гемою наукоко-дослІлної роботи відділу фішки радіаційних процесів Інсіиіуіу фініки ПАН України: “Дослідження процесі» ьикгмодії радіаційних, тсхію.ии ічнич і гермічних дефектів к кремнії. ісрмакії, сумішах Si-Ge та її мікроелекгронних приладах на їх основі” <NV держ рсгсір. 01lJH!<J()|977).

Меіа іоГніін і шламі .ичміїжепнии Мстою даної робот було отримати нову інформацію про мсханіїм шілнву ізошмсиїної домішки плона на пронеси термічною та і^адіаційного дефектоуіилреинл в кремии та »мяашш природу дефекті», які мишкають » SrSn” при ісрміюб[**г»иі ЛІН) опроміненні.

Осіниш і наукові м»лииня досліджень:

1. Дослідження вплину іижа.к-н(ної домішки олова на кінетику генерації іа нідпаїу ннтькогемнераіурннх кисне них іерчодонорія (ї Д-І) н мопокрисіо-іпх кремнію.

2. Дослідження кишшу ііошиеніної домішки слона «а процеси радіаційною ДЄфсМТітіЮрЄЖІЯ ь кремнії при прокшіїому опроміненім.

3. Дослідження шіли&у іиніаленіиої доміїики олова на генерацію та відпал радіаційних дефекті# н кремнії нрм іама-онромінепні.

Науконя поятна о.»,т> «кииїм іигіу.іь ги гів:

1. Имсрше експсрммснішімю нсіаношіено» що ііаяиккть у монокристала* кремнію і«оьалеілноїдомішки олова (As.,*{2-6.5)*lOie см'*) еіюаільмкх генерацію ІД-!. Іірн цьому ступінь иіоньадіешія кирелкм іі коїіценїрацмк> домішки Sn. На основі іаяроно» .іої і ротроГ»іено» моделі у гиорення к»!енсьміеннх іермодонеріи (КТД) у Si запропоновано іако. модель механізму аиливу Sn на кінетику геасрашї КТД Персдбачасться, що сіюнільіісііші lencj ації КТД у SkSn> відоушиться із ралу ник уїворсжія метастабільних комплексів OSn.

2- Вперше екиїсримсіігаїьии єил&лсііо, що паяшіісгь у монокристалах к ремнію домішки Sn а концентраціях поїш 2xJUu ewJ приводить дозначнегх) зменшення частотою фактора у га енергії активнії віиіалу іермолоноріа. Ііоктако, що даний ефект ікчлаб/ікхгься після попередньо» іерьім>бробкниП()}мріі £00 (ІС.

У. Вперше експериментально »юииіеік», що «иіромі>«<’Ші яроішіами »прошеного

мс'о;^ім Чохрал ьсис ото, лрчгюдіт» до утворення додаткоооіи pa.udn.ifiного дсфе>ау\ до екчаду деого вчо/іять ьахиісіі і а аюмн o:u>£<l Иоккшіо, то деф^>;г с іюдвмііи' ^кцеигорипм центром 1ісіш;ок,тсш) TCJajiepuiypy йоіх> РІи:ад>.

4. Бпгршс і^хіісри^снтпгмк> &спшо&дшо, то коисшіти дсіра>ш\п члеу жніте

нерівноважних носій* карелу к, в n-Si<-Siv> прн (ама-опроміненіи инзиачаггься дефектами VSn, «псі стають основними рекомбінаційними центрами прн кіміпшіій температурі h збільшенням концентрації олова.

5. Вперше експериментально виявлено, «по дефекти. які узвори>кт.с* «ри лишлді глма-

опромінених зразки», г більш стабільними в n-SKSn* в порівнянні з дефектами. які уі порижгться в зразках без домішки Sn. При ібільшеині концентрації домішки олова tpocia# і конценірація гаких стабільніших дефектів. *

6. Вперше показано. іио наквнісгь пік) 1'ві;Л мнокГ мишачу часу житгя носіїв cipyMv в інтервалі температур 200 - 360 °С ири іюхрошкту відпалі »умовлено утворенням і відпалом комплексів Vj() (в n-Si без Sn) або одночасним угнореїшям і відпалом VjO і VjSn (в л*Яї Sn *). Виточено основні параметри. які харакгеричуюзь дачі дефекти.

Практичне значення одержаних ізезудмяіів. Оірнмані результати с перспекіивиими як з точки тору фундаментальної науки, так і ирикладікД. Peiynvnmt досліджень можуть бути використані в іехиолоіії вирощування намішіровіпппоних крисіалів, для вдосконалення радіаційної технології у виробництві напівпровідникових приладів, а іакож тля прогнозування зміни основних параметрів кремнію і мікрое.зектронних приладів на йот основі в реальних умовах експлуатації мри терчо- за радіаційних виливах.

Особистий внесок їлобунач* в одержання наукових результатів* викладених у дисертації полягає у виконанні експеримсн галі.них досліджень. їх обробні, участі в теоретичному аматіїі га накисанні сіаттсй. П роботах, виконаних разом із співавторами і включених до дисертації, автор вишачив зміну параметрів вілналу кисневих термодоиорів, азяв участь в розробці митсматичіюї моделі утворення термолмнорім і моделі впливу олоьа на процеси їх іенерапії. аналіз спектрів DLTS зразків кремнію, опромінених прогонами. І Іровів анаиз впливу Ковалентної домішки олова на поведінку часу життя неріиионажних носіїв сгруму & кремнії прк гама-онромінснні та подальшому ізохронному відна/іі. Висновки всіх розділів, загальні висновки та положення сформульовані автором особисто. - .

Лппобаиія результатів дисертації. Основні, результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на: II Міждержавній конференції з фііики радіаційних явищ та радіаційному матеріалознавству (3-Ю ьергеня 1998 p., м.Адуппа); Міжнародній шкоді-конференції з актуальних питань фізики напівпровідників (23-30 червим 1999 р^ Дрогобич); 8-th International conference of Geltering And Defect Engineering m Semicofviuctof Technology GADEST’99 <25-'!8 September. 1999, I (for, Sweden); General Scientific Meeting {2526 May, 2000, Leuven. Belgium); 14 Міжнародній конференції з фізики радіаційних явиш га радіаційному матеріалознавству (12-17 червня 2000 p., м.Ллушта); 2-th European Network art Defect Engineering of Advanced Semiconductor Devices ENDEASD Woritstop (27-29 Jvny* 20<И>,

ЮяІа-Ь’їоскЬоІт, ЯгуеЛсп). •

Пубііканії. Основний тміст роботи с утаїаіьненндм на>коною доробку ангора, ретулмаги якою опубліковані у 11 сіагглх, матеріалах і гсмх доповідей на наукових конференціях.

('ггтгтур* їм обсяг роботи, Дисертаційна робота складається і вступу, п'яти ротдіїів, таклмчної чистий ти списку викорисіиної літератури. Зміст робіни викладено на 107 сторінках друковано»о іскс іу, іл погромної о )9 рисунками іа 10 таблицями. Слисок ліїсратури місі ить 137 наіпнгну ьань.

(К НОІ5ІІИЙ ЗМІСТ РОКОТИ

V ьсьпіобірунишапа акіуцльин;іь виконанихдосліджень, конкретимэватосноьш наукові іаеданнн, ні(к.иі.ісмі наукова ноынпа та практична шачимгеть отримали* результатів. Мідшачено особистії внесок (добувача, ьідомікпі про апробацію, а також кількість публікацій та темою днссріації

Н игінночу поі/іілі прсдсгаїшсио огляд основних літературии* даних про вплив термообробок І ОІІрОМІіїСНН« НА С.ТСКірофІїИ'ПіІ БЛаСІИ&ОСГІ КрСМНІЮ, легованого ріишми іюполені ними домішками. Покатано, що ці дані переконливо свідчать про значний вплив ітоьцдстних домішок на іермічне та радіаційне дефектоутвореишт в кремнії. Проіе наявні експсримсніальш результати мають нерідко суперечливий, а у випадку домішки олова і ноювннЙ,

Хдр.ІКІСр,

Іакож ро планую електрично активні комплекси и кисневмісному термообробленому кремнії. Особливу )оаіу приділено роді мікронеоднорідного роиюділу ч мішки кисню га кжнсььосинх дефектів в мтюкрисіалах кремнію, вирощеного метолом Чохг> :*.коіо.

11а цій основі сформулижана ('остановка задачі дослідження: дослід.,і- ішдмь ііоваленіної домішки олова па процеси уіьореиня 7а відпалу термічних і радіаційних деф*. іів в кремнії. Ьули ьнт.іачсні конкретні скспсримсшальні одлднна.

В другому гчн.ііді описало експериментальні методики, що никориї .овувалнсь в даній рибні і, і внк.{а.іено методики обробки експеркменгальних даних. Робота и.іконаиа на зразках пр»***сж>мого тжелыюю (>е^дмслок<іційиі>го п-кремнію. а також спеі.дльт> пирощених иоиокрнс гадах «-типу, додатком) легованих оловом. II к косі і контрольних ірити також використовуватись//л переходи промислоьих дюдш на основі/1-й; «.мнію ІОНИ і! шіаикн. ір.гіжи опромінювали р>кшшгй*и **°Со на установці МРХ-т»25М при г^стши поіоку \1 '1 сыЛ:'1 у ініериаді доз (0П6 - 4,І6)*І0° см'* ирн ЗО °С іпротснаші іенерііеюбі МсП при і>етині іки *уу 10* см V & ил«рмиіі дои (1 - 6)хїй1* при кшнатиіЗ «мисратурі на прискорювачі ііроюнш. Ікі

термообробки проводились в повітряній агмсч.‘фері аГн) аімосфсрі аргону. Охолодження »рачків проводилось заіартуваиням на азбесті.

Нимірювания сн*:кпріп ІЧ-і»оілинпімія проводились на спскіромегрі иН-20; часу житгя нерівноьажмих носіїв сіруму - по рслакслції нерівнонажної фогопрічн.іноечі; концентрацій носіїв струму - чотири кшдоїшм метолом й із нолмфарадкич характеристик барЧрів Шозкі. спорі їй переіарядки глибоких рівнів. їх концентрацій і перерізів іахоиленпи ними носіїв заряду метдоч смнісноїсиектроскопії глибоких рівнів (01.Г$): концентрацій ломішмі о іопа - мєгчїдом вюрннної іон мої масспскт рос коп ії (SІМЧ).

В третьому ртділі представлено речультаїи дослідження особливостей кіиеіики генерації і вілпалу кисневих термодонорін (КТД) в я-кремнії. леї ованому оловом (лг-8і<Яг»>).

Никорисзовуиалиеь »разки я>$і (вихідна конценграція вільних слею ромів ло * (бЮ)чі(У' сч'\ летвані Яп в процесі нироіцунання із розплаву) двох груп і конисніраакк> олова ЛА*п“К7x10і® см’’ (Яп-1) і см 3 ^гі-2). Коїпкнграцн фонових домішок кисню Ло для

Яп*1 сіановиди (6.5-7)>-10ІТ см\яія $г>-2 - (6-6.5)* Ш<7 см'*; вуглецю Л’< - менше .''хІО^см ' для обох груп зразків. Іі якості коїпрольиих були використані зразки промислового /і-Хі. вирощеного метолом Чохральськоіо. і поліпними характеристиками. .

В експерименті ресегрукалис# залежності змінн концентрації вільних сіекфоніи \п у зразках досліджуваних мшеріалін під тривалості ііоіермічної гермообробки (ІО) при 450 *’(' (під час генераїш КТД), а потім піл гемнерагури мри ізохронній ГО (під ’»ас відпалу КІЛ) Концентрація вільних електронів п ви »началася з вимірювань интомош електроопору зрачкін чотириюидоним методом при кімнатній температурі. Значення величини рухливості електронів приймали рівним 1і50см1Шхс. Частану досліджуваних кристалів піддавали після вирощування попередній ТО (МТО) при 800 Ч’ протягом ЗО .хвилин.

Па рис.І наведено залежності сумарної концентрації КТД Лгд ви часу / ТО нрн 450°С. Сумарну концентрацію усіх видів КТД. що формуються при 450 °С в зравсах і ріжою копнеш рапіоо домішки олова, визначали із співвідношення Лід " я»о - «■>. де п,, ~ рішили концентрацій всіх донорів і акцепторі» (у тому числі і росгових КТД) у вихідних зразках, а позначення після чергово«1« езапу ТО. Як видно і рисунка, генерація КТД у Яі • ісгшно сповільнена в порівнянні з контрольним матеріалом. ІІри цьому ступінь сповільненим корслюг *1 концентрацією домішки $п. Попередня ТО при 800 °С пригмічуг генерацію КТД у всіх зраіімх..

Результат комп'ютерною диференціювання цих залежностей наведено на рие.2. Г> г показано залежності швкдкосіей генерації ЮД (і/УгдЛ// ) від часу термообробки. '? рис,2 що. по-перше, темп генералі! КТД в Зі <Яп> вже а початковий момент нижчий, ніж у контрольному 8і, а, по-друге, в <$и> якісно відрізняггься кінетика іенсраці? КТД ті самих ранніх етапах ТО. Саме ці етапи найбільш чутдкві до прксутносіі ь кристалі так зі»«»« кчро,.«*

ь

КІЛ 11.2). ІІа рис.2 спосїерігапи:» три інііи поведінки і/Л'гд/Л після початку ТО: І) зменшення з вимиом іи сишітлрие «іаченн» (Ип-2); 2) збільшення з внходсм на стаціонарне значення (Їп-І); 3) ріже ібілілнсннх. ‘іипім иланний спад іі виходом на стаціонарне значення, С:інз>,ке до ііоч.іікоіи)ііі(Лч« “■ 0). Попередня ІО при 800 V, поряд із значним зменшенням початковою темп> і енераціі КІД, нрніюлигь залеж нос п <М|ЛМ(і) в усіх зразках до другого типу.

0 0 .¿¿.'ІУи »'* С * -Ь: 1 _ *

(і *» «о «»

І и

Рис.) 'іа.іежікчіі коніїопраііії гермодонорів ніл чаї'у іермоо^риоки мри 4504?: І -3 6с> НІ«-«», і -3‘ із ІПО-КМ); І, І*

- л;„ 0, :,Г - N0-1:1,3'- N»-2.

Гне.2. 'іалок'ності швидкості «ведення теркіодоморіи від часу термообробки при 450 °С: 1-3 без І ¡10-800, Г-3' п ПТО-КОО,

І, Г-Л'ч.г 0; 2,2і -Ьп-і; 3,3і -8іі-2.______

Для вивчення »пливу домішки Яп на кінетику відпалу КТД-450 рессі’" «лис* залежності Л'ін * лц, - па від температури гніхроніюго відпалу, де «ю т концентрація ... „них електронів у зрлках після черговогос’апу іюхромного відпалу протягом 5 хвилин и ¡шерпи.', температур 500 -57(1 °С іі кроком 5 °С. Результати наведено на рис.З в одному масштабі. У табл. 1 ііааедено значения «шерпі мхги&щіі (/■-„) і час-ютіюю «¡миггира (і), визначені з експгр.ментш по випалу КТД-450, діч крисіаліа з ринозо концентраціоо «лиш бет ГІТО.

ІиГілнш 1

Маїериія £„.еи V , с'1

Коїігро.іьнкЛ 2.0Л 2.4*10"

«я-І 2.02 :\4хіо‘"

8п-2 1,43 .‘>.3-10' •

І. 10

З гсбд.І ешдоо ішгчнс імгшекчш* ш:рзд$$ггрЬ £„і ип збільшеїшяпі концентрації Slг. дифузія атомш ььсню с «кгюъкдм чяшіцдоч, що дічігус ед гемервдио, так і винді КТД в Я і [3]. Тому дашій

результат може означати прискоренії* дифузії О, при введенні домішки Sn. Таке прискорення може бути результатом збільшення внутрішніх пружних напружень в кристалі ¿наслідок введення ІВД з більшим ковалентним радіусом. Вплив домішки Sn на параметри відпалу КТД тачно зменшується після Ш0800. У табл.2 приведено аналогічні параметри, отримані при відпалі КГД в зразках, попередньо термооброблених при 800 'Ч\

Таблиця 2

Матеріал !■„. di v.c1

Ко» іронишй 2.42 3.9x10"

Sn-1 - 2.36 2,5x10"

Sn-2 2,2') 2.1x10"

Вилно, іцо енергія активації і чнсюїшш фактор відпалу після ГПО-800 збільшуються н усіх зразках, а ризниця між леюваиими І нежгоианичи оловом матеріалами зменшупъся. Віьшн ПТО па відпал КТД детально розглянуто в |2]. Використовуючи висновки цнї роботи, можна стверджувати, то домішка олова впливає на дифузію кисню головним чином в областях з йоіо иітьиіценою коннеитрацюо - мікрофлукгуаміях концентрації .домішки кисню (МФК). Це може означати корсльованші розподіл домішок олова і кисню в кремнії. Тобто в МФК підвищеною с не тільки локальна концентрація кисню, але і олова.

• Далі було запропоновано модель утворення КТД в кремнії У якості базових використати уявлення моделі [3] про КТД як комплекси, то містять чотири атоми кисню.

Термодонора утворюються одночасно гетерогенним і гомогенним механізмами Генерація ТД в першому випадку відбувається в результат» захоплення кисню на зародки. а в другому -внаслідок комплексоугворсиня із дисперсних атомів кисню, які знаходтля у МФК. Кінчений вираз, що дозволяє описати кінетику генерації КТД » кремнії ка початкових етапах і *р&ху»амням як гетерогенного (перший доданок), так і гомогенного (другий лодшюк) МСХДНІ?МСі уТП«>рЄЛНЯ КТД мас вигляд:

Рис.З. Залежності концентрації термодоно> púí від температури гюхронного відпалу в інтервалі 500-570 ÜC: ! - 3 без 1ІТО-800, Г-3* ¡І ПТО-800; 1, Ґ-Л^-0; 2.2*--Sn-1, З, З’-Sn-2.

+*^<[<-®ч>(-.глД

к2

О)

дсЛ/уд“ концентрація КТД; Л^°- початкова концентрація шродків; концентрація атомів О,, іио м&смодімгь п зародками; /з - коистн га швидкості утворення КТД п зародків; хи Хи X** Ь ~ комстаїпіі швидкостей прямий і шпрошіх реакцій при гомоіекіїлму комплексоуїворенш КИСНЮ.

3iiuc.it ясно, ші> форма залежності (кр.І на рис.2) ви значатся співвідношенням ефективності гсіероіеіімо» І №МОІ ЄННОЇ складових. і|е поясних рішомшіггтя цих форм для крисіалй» іі рініою тепловою нерсдісторігм і 1,2). Після ИГО домінує гомогенний мсхаїшм. Використання (1) лія кількісною аиалпу експериментальних даних по генерації КТД дозволяє зробичі висновок, шо ІГЮ-Ш) чмсншуг не іиіькгі іагшіьну концентрацию зародків, але і локальну концентрацію кисню п МФК.

На оскомі {X)зробленої моледі ушорсит КТД галреншюаало іакож модель механізму впливу 8п ни кінетику іеіісрашї КТД у Ьі. 1 Іередбачагтьси, що вплив домішки олова на кінетику генерації КТД в Зі нрн 450‘С може бути пояснено уповільненням як юмогсниої так і іетерої енної ііргципітшіії КИСНЮ и рахунок угворенн» мешстибічьннх комплексів КИССІІЬ’ОЛОВО.

V ьиацджу гомогенної мрецинігації в кдомнії, легованому оло&ом:

с/г к2

(2)

Іч*моі сшзо.

А стаціонарна іигндгосіь і снсріщії ісрмодоиоріа;

О)

Видно, що збільшення концентрації Ягг иокмішо приводити до зменшення станіонприої швидкості генерації КТД. Саме цс і спосісрігасгься в експерименті (рис.2. кр. 2' і З').

У даному розгляді враховано вплив домішки Яп тільки на кінетику утворенії» комплексів

О і. Насправді виникнення і розпад комплексу <№п може вгиіннуги і на утворення комплексів 0\ і

Оі, які ще не г термо.цп норами. Нрахуванн* цих обставин істотно ускладнює розв'язок, однак не чмшюс його якісно.

При гетерогенній іенераіііїКТД:

швидкість генерації не залежить від вмісту олова, що і спостерігати*:« в експерименті (рис.2. кр.2 і 3). Значно менше значення початкових швидкостей генерації КТД в 5і<Яп> у порівнянні ч контрольним матеріалом може бути зумовлено рішим вмістом згродкія. '

X____чгпіегтому розділі представлено результати дослідженні радіаційного

дефектоутворення в я-типі при опроміненні високоенергетичними протонами <ІГ). .

Використовувалися зразки двох груп з концентрацію олова ;%'<*, »1,7* 10і ‘ см° (Хп-І) і Л\в“6,5х 10і* с*’1 (Ьг»-2) (характеристики даних зразків описані вішіе). 1} якості контрольних зра'жів були використані р'п переходи промислових діодів па основі л-НІ зонної ндаякм <п-$І*К/) без домішки Генерація радіаційних лефспія (РД) проводилась опроміненням II" » енергігк> Лі МеВ і густиною потоку 10і см^хс* в інтервалі дот (1-5)<10н см' при кімняїиіЙ тем.'к-ріглрі.

Контроль эа накопиченням |»Д здійснювали методом OLTS.

Після опромінення прошіїамя з'являсгься ряд піків на спектрах як /i-Si<Sn> так і n-Si-FZ зра жш (рнс.4,5)Позначення іс^кк і і», енергії активації нерезарядки £,,, їх концентрації V та

міиилкосіі введення /) наведено в габл.З.

Таблиця З

Маїсріші Дефект .V, 10і'ем1 П о»'1 Е„. сН

Г.2 15.4 3,1 0,17

« Si FZ ІЗ . з.з 0,7 . 0,24

і':5 22,6 4,5 0,37

Fi ЬО.К 0,15

К2 2,0 0,4 0,17

Snl і:з 2 2 0,4 0,24

1:4 4.5 0,9 0,2*

F5 8.6 1,7 0,42

І.6 6,7 1,4 0,61

1:2 1.0 0,2 0,17

ІЗ 2.0 0.4 0,24

Sn-2 14 7.1 1.4 0,30

F5 8.2 1.6 0,42

16 7,4' 1.5 0,61

lia спектрах VI діоді» сііосісріїакпиз ірп піки а>6}к_- відомих РД А-нентрів (1:2), дммрядмогп Vf (І:)) і однозарядною Vj"* <Іі5) станів диаисансій.

Онроишсшія проіиііачя Чсхрильськоіо n-Si<Sn> ирянилить ію утнораіья двох додаткових pA.iuiiilli.ux ріпні» (Е4 і ЬЬ) і снсргкю urratuuuï ііерезарядкм 0.29іД0і і 0,6:10,0’ cil (тибл.З) ниж'іе Кііін ировіїиосгі «ідниийіі». Гой факт, що вони з'являються іиьи-. в ■ *Sn>, може OUJ4J1M. ІЦО ці цеиіри ВКДКіЧДІОІЬ QIUUM OIUU Цс иіапирокуїться І ІНМ, І1Л> їл кОНІ<Ч! фіПІІЇ

со

Е5

X, МКАД

Рис.6. Концсніраціині профілі радіаційних ^дефектів 1:4,1-5,Н6 опроміненого зразка Хи-І.

зростають в матеріалі з більшою концентрацію Sn (табл.З). Крім тот, це є комплекси точкових дефектів, які включають також вакансію. Доїздом гро можливу учасіь вакансій в складі дл'шк РД е той факт, то дефекіи Ь4, Ь5 і Е6 мають подібні концентраційні профілі (падаіоіь>в напрямку до

I поверхні і вирівнюкнься на глибині декілька

• мкм, рис.6). Така понеділка концентраційних профілів спостерігались при генерації V? в п-8і і пояснювалась п розгляду профілю дифузії вакансій поблизу поверхні [4]. Встановлено, шо температура відпалу даних РД становить приблизно 120 °С. Подібність коїіиеіприШЙ, одночасний відпал них РД, відсутність польової залежності дчя положення енергетичних рівнів і більш ьисоке значення стп для глибшого (прямі експерименти по визначенню перерізу захоплення для електронів (<тл) на рівень 1:6 дають значення ст^іО11 см2, а значення оя для В4 на два порядки менше) свідчить про те, що ці два рівні належать одному і тому ж подвійному акцепторному центру. *

Виявлено (лив. табл.З), що леїуваїш» 8і ізовалентною домішкою приводить до зменшення ефективності утворення основних РД - А-центріь і V], які виникають при протонному опроміненні.

Слід зазначити, що пік НІ, який віліювідас глибшому рівню ростових ІСГД, спостерігається в Бп-! до і після опромінення Н* (рис.5). При чому концентрації ростових термодоноріь до і після опромінення практично ке відрізняються. Це ніаз иерджуг лані про відсутність взаємодії між КТД і первинними РД [5).

В нУгону поілілі представлено реіультн дослідження впливу ІВД Би на поведінку часу життя нерівноиажних носіїв струму (НИС) в и-£і при опроміненні ¿«-квантами та подальшому ізохронному відпалі. ■

Никор.ісювувалися ті ж ірупи зразкЬ* що і при попередніх дослідженнях. Опромінювання проводилось /■‘квантами ыСо при ЗО °С з в ііі іервалі доз (0,16 - 4,16)х І О15 см‘2. Час життя г ННС визначився по релаксації нерівноважної фоголроиішіосіі в умовах низького рідня іонізації. З експериментальних доювнх залежностей величини Л(г)'1 визначали константу деградації часу /

1_

1

ф

-, де Ф - доіа опроміненим; г*> і гг - час жигш ШІС ло і після

опромінення відповідно. , ' ■

Експериментально показано, що константа деградації часу життя к, в л-кремкії при гама-опроміненні мас складну залежність дід концеїіграції домішки олова (рис.7). Значення а також вихідні концентрації електронів па вказано в табл.4.

Таблиця 4

Матеріал по, 10" см3 к„ І0 Іг см^хс'1

8і<Лг5»-0> 6,2 6.3

Бп-І 6.0 3.9

5п-2 7,7 6.1

Проведені оцінки показали, що основними рекомбінаційними дефектами при кімнатній температурі в ^опромінених зразках кремнію я-типу, як легованих оловом (Л^£І,7хіО'‘ см '). так і нелегованих оловом, с Е-ценгри. Тільки при концентрації олова Ляп-б^хЮ1* см'' основними рекомбінаційними дефектами с комплекси '/во. З цій точки зору стас зрозумілим менше зккчення к, в зразку з меншою концентрацією 8п. Лтоми олова, будучи ефективним стоком дія V, створюють конкуренцію утворенню основних иентрт І^хомбінації - Г-цемтрів.

Встановлено (рис.8), то відпал ^опромінених зразків п-Яі без вп до 360 °С приводить до відновлення часу життя носіїв струму майже до вихідного значення. В той же час відпал зразків я-БКБії» до тієї ж температури показує, що відпалюються не всі дефекти, які обумовлюють зміну г при гама-опроміненні. В Ьп-І (кр.2) на 55 - 60 %, а в Єп-З (кр.З) г стає навіть трохи меншим, ніж після опромінення. Відпал Е-центрів і УБп-центріа ь л-Бі не приводить до зміни часу життя носію струму при кімнатній температурі. Це свідчить про те. що в результаті їх відпалу утворюються РД з подібними рекомбінаційними характеристиками. -

Покачано, що наявність піку '‘від’ємного" відпалу часу життя носіїв струму (рис.8,

1

г »*■

0 1,0 2.0

си*

Рнс.7. Залежності величини Д( г)‘‘ в зразках $п-1 (1) і 8п-2 (2) від дози опроміненая ;*■ юшітами.

200 300

ГС

Рис.8. Залежності функції невідлаленої частини рекомбінаційних РД/від температури ізохронного <10 хи) відпалу після у опромінення: І - п-вібез Бп: 2 -Яп-І; 3 - 5п-2.

о

г ТГ ~rО

J ~ т----------“Г . -Iе Tj - час житп ІШС після кожного кроку відпалу) в інтервалі температур

г; - *0 >

200 - 360 “С при ізохронному відпалі зумовлено утворенням і відчалом комплексі» ViO (в n-Si бет Sn) або одночасним утворенням і підпалом VjO і V}Sn (в n-Si<Si%>>. Визначено основні параметри, які хараюериз) югь дані дефекти. Комплекси V:0 і V2Sn утворюються при відпалі дивакансій, які самі дають нешачний вклад в рекомбінацію через малий переріз захоплення дірок. При цьому переріж захоплення неріьіюважннх дірок цими центрами відповідно дорівнюють ЗхІО*13 ¡ 2хЮ'13 см*.

В заключній насінні наведено перелік головних результатів досліджень та загальні висновки. •

ІШСИОЇШЇ

1. Ккспериментально встановлено, що наявність у монокристалах електронного кремнію, вирощеною ме годом Чохрольськоіо, ізопаленіної домішки олова (/Vs„*(2-6,5)х1011 см'3) приводить до наступною: *

- сповільни*: існерацію ІСГД-І. При цьому ступінь сповільнення корелкх із .концентрацією домішки олова;

* значно зменшує частотний фаісюр та енергію активації відпалу КТД-І (As„>2xl0l* см*3). Зменшення даних параметрів може означати прискорення дифузії атомів кисню під дією внутрішніх пружних напружень у криеладі зикликаних домішкою олова. Пилив олова на снергік> акіннації відпалу ТД значно послаб поїться після І П О при 800 (,С. Одішю з причин цього може буї и корелмшаїші) ронюділ в крисі азі атомів домішок олова і кисню;

- зменшу* ефективність угворення основних вакапсійних дефектів при опроміненні зразків прогонами з енергією 61 McD, що іумонлено утворенням дода іконою радіаційного дефекту, до складу якою входять вакансії і а аіоми олоьа. Цей дефекз с ноднііпшч акцеишром з снсрііями активації переіарядки 0,21>±0,0І і 0,6110,02 ей. їемпераіура його ві шалу сіаноьигь приозиню 120 °С;

- коиїланга деірадації часу житі* kf в «-кремнії при і ама-опромінениі мас складну залежність віл шнцеп ірапії домішки олоаа Це нояснкхтьсм тим, щи радіаційні де>[)екіи VSn, які утворюються при ічша-оирочіиепяі іраікіь. сіакнь исаоикнмк рекомбінаціїншми центрами при кімнаїніЛ температурі o збілі.іисішим конпенірації олоьа;

- дефекти, які упарюються і:рн відпалі гама опромінених зразків, с більш сіабілмшьш в

• lopidUflHi/j і /дсфспгмл, які уінорюїоіься в контрольних (6єі домішки олова) зразках. Із

и

збільшенням концентрації олова зростав і концентрація таких стабільніших дефектів.

2. Показано, що наявність піку від'ємного” відпалу часу житгя нерівноважмих носіїв струму в інтервалі температур 200-360 °С при покроєному відпалі гама-оироміксішч зразки» п-кремнію зумовлено утворенням дефектів V20 (в контрольних зразках) або одночасним утворенням дефекті» VjO і VjSn (в зразках з оловом), які с ефективними рекомбінаційними центрами. Перерізи захоплення дірок цими центрами відповідно дорівнюють З* 10'11 і 2хі0*,3см".

3. Запропоновано і побудовано модель утворення кисневмісних термодопорів (КТД-1) п кремнії, яка враховує як іегерогсшіий (захоплення аюмін <исню на каянні а кристалі заїдки» так і гомогенний (почергово об'єднання 4-х дисперсних атомів кисню) механізми утворення термодонорів. Показано, то концентрація атомів кисню, яка бере участь в таких реакціях, значно перевищує середню. Це підтверджує отримані іншими авторами результати про мікроисодшрідний розподіл кисню в кремнії. Показано, то покал-м-пна домішка олова в кремнії впливає як на гетерогенний, так і на гомогенний процеси утворення термолонорів за рахунок утворення метастабільних комплексів OSn. Результатом такою впливу є значне зменшення темпу генерації кисневмісних термодоморів. Попередній відпал зразків при 800 °С приводить до зникнення зародків і зменшення концентрації кисню в мікрофлукзуашях.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНО В ПУБЛІКАЦІЯХ

1. Нсймаш В.Б.. Крайчннський А.М., Красько М.М., Пуіснко О.О., Сімоіі F.., Клайч K.. Плонліл А., Клаус ГІ. Вплив домішки одова на радіаційне де^екчоузворення в п-кремнії при 61 МеВ протонному опроміненні// УФЖ.- 2000.-Т.45, В.9.- C. 1121 -1125.

2. Нсймаш B.S., Крайчинський А.М., Красько М.М., ГІутснко О.О.. Кабалдін О.М. Вплив

домішки олова на іенерацію ¡і відпал низькотемпературних термолонорів в n-Si // УФЖ.-2000,-Т.45. B.3.-C.342-349. '

3. Нсймаш В.Б., Музелко Е.А., Кзбалдин А.Н., Крайчинский A.II., Красько H.H. О природе зародышей для образования термодонорои а кремнии // ФТП.- 1949,- T.3J, В. 12,- С. 1423-1427.

4. Нсймаш В.Б., Пученко О.О.. Кабалдін О.М., Крайчинський А.М., Красько М.М. Про деякі особливості генерації та відпалу гермодонорів в кремнії II У<ЮК.- 1999,-Т.44, В.8.- C.10J1-1016.

5. Нсймаш В.Б., Крайчинский А.Н., Кабал.тан А.П., Н^оць ü.M., Пуісцко Е.А., Красько H.H. Роль ыикронеоднородиого распределения стоков дія компонентов пар Френкеля б радиационной деірадаїїни «»йств минокристалличсского кремгтя // ВАНТ.- 1999,- H.З(75). - С40-4Ї.

6. Simoen K.. Claeys C.. Wimash V.B., Kraitchin.sk» A., Krai'ko M.. Puzenko O., Blondecl A.. CJauws P.. Koops (Vl'.J., Panyn H. Tin-related deep levels in prolon-irramaled n-type silicon II Proc. 2-s! ENDEASD Workshop.- Кыа-Stockholm (Sweden).- 2000.- P. 147-15b.

7. Неймаш В.Б., Красько 11.11., Крайчинский Л.И., Цмоць В.М. Образование радиационных н “

термических дефектов при «горячем» электронном облучении кремния // Труди 14 Международной конференции по физике радиационных явлений и * радиационному материаловедению.-НАНТ.- 2000.-С.315. ■

8. Крайчинсьотій Л.М., Красько М.М., Неймаш В.Б., Lilniiiap Л.І. Рекомбінаційні властивості гама-оггроміненоіо /»-кремнію, леіт>ваноіх> оловом // Труды 14 Международной конференции no фи чикс радиационных явлений и радиационному материаловедению.- ВА) 1Т.- 2000,- С.329-330.

9. Simoen Г!., Claeys С., Neima.sli V.B., Kraitchinskii A., ICras’ko М., Puzenko О.» Blondeel А.» Clauws P., Koops Ci.F.J., Patty n M. Identification of Sn-V related acceptor levels in irradiated tin-doped n-(ype silicon // General Scientific Meeting.- (euven (Belgium).-2000 -CM4!.

10. Нейчаш В.Ь,, Красько M.M., КраПчииський A.M., Кабішдін О.М., Нузенко O.O., Цмоць В.М. Bjuhb Домініки олова на час житія неосновних носіїв струму в я-Si при генераціїї та відпаді радіаційних дефектів // Праці Міжнародної школи-конференції з актуальних гнпань фЬикн напівпровідників.- Дрогобич (Україна).- I9V9.-C.23.

П.ІІеймаїп В.Ь., КраАчинскиЙ А.Н., Кавалдин А.Н., Цмоиь В.М., Пуіенко Е.А., Красько Н.Н. Роль микронеоднородного распределения сіоков для компонентов нар Френкеля в радиационной деградации свойств монокрнсіаллическоїх) кремния // Тезисы Н Межгосударственной конференции по физике радиационных явлений и радиационному маїерналоведению.- ВАНТ.- 1998.- В.3(69), 4(70).- С.43-44.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

}. Markevich V.P., Murin L I Thermal donor formation m pre-heat-tieultd n-Sr.O crystals II Phys. Slat. Sol. (a).- 1989 - P. КІ49-КІ54.

2. Neimash V.B., Puzenko O.O., ICahaldin O.M., Kiaichinskii'A.M , Кгоь’ко M.M., Claeys C., Simoen E. The nature oi precursors for the thermal donor formation in silicon // Solid State Phenomena. -1999. V.69-70.* P.351-3 56.

3. Kai/er W., Krbch H., Reiss II. Mechanism of the formation of donor states in heat-treated silicon if Pbys Re\.- 1958.-V.II2, Mi 5.-P. 1546-1554.

4. Sveiiison UO„ Wiilander M. Generation of divacancies іл silicon irradiated by 2-MeV electron: depth and dose dependence If Appl. Phys.- 19&7.- V.62, fa 7,- P.2758-27t>X

5. Neimash V.li, Siraiskn V.M., Krachirukii A.M., Pu/enko O.O., Claeys C„ Simoen E. Thermal oxygen donors v,iih an алоіпаїия small electron captuze cross section H Pioc. of High Purity Silicon

V - Pennington. New Jersey (USA).- 1998 - V.98-13.- P. 200-210.

Красько М.М. Вплив їювалентної домішки оло*а на термічне та радіаційне дефектоутнорепня в хрелми. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня ка/и)ш>ата фізико-маюематичних наук за спеціаіьністю 01.04.07 -фізика твердого тіла. - Інститут фізики ПАЇ! Укрити. Киіа, 2000.

В роботі представлено результати експериментального дослідження вчлкву ізоналентної

домішки о.г.ова на електрофізичні властивості кремнію прн термо- іа радіаційних обробках.

Встановлено вплив легування кремнію новллсіпною домішкою олова на пронеси утворення і відпалу радіаційних і термічних дефектів. Показано, то в кремнії з оловом зменшується енергія активації утворення та відпалу термодонорів. які утворюються в процесі термообробки при 450 °С. Запропоновано модель ізливу олова на перебіг процесів утворення термодонорів. яка припускає існування метастабільного дефекту олово-кисель. Побудовано теорію кінетики утворення термодонорів як в зразках з оловом, гак і без нього. Показано також, що мри прогонному (61 МеВ) опромінюванні вводяться два ахцепторних електронних рівні, які пов'язані з олоьом і належать одному радіаційному дефекту, до складу якого входить &акаі>с:л. Виявлено, що радіаційні дефекти, які відповідають за зміну часу жипя носіїв струму при гама-опроміненні. в п-Ьі<8п> с термостабільніші ніж в п-8і без Ьп. '

" Ключові слова: кремній, олово, термообробка, термодонори, протонне опромінення, гама*

опромінення, термічні дефекти, радіаційні дефекти, відпал дефектів.

- Красько ІІ.ІІ. Влияние изоваиентной примеси олова па термическое и радиационное

дефск/пообраювание в кремнииРукоп нсь.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата фюико-математичсских паук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела • Институт физики Национальной Академии Наук Украины, Киев, 2000.

В работе представлены результаты экспериментального исследования влияния изовалентной примеси олова на электрофизические свойства кремния при термо- и радиационных обработках. Исследовались свойства термодоноров, образующихся в термообработанном (450 °С) 8і<8л>, а также особенности радиационного дефеглообразоышия протонно и гамма-облученного

Обнаружено, что легирование кремиия иювалентной примесью олова (№»„ « (2-6,5)х К)'1 см'*) привели г к подавлению генерации термодоноров. При этом степе.и» подавления корре шрует с концентрацией олова. Предложена моделі» влияния олова на процесс»*» образования іермодоноров, допускающая существование уччхчабнлыюго дефекта олово-кислород. Построена теория ьипетнки обраіоиання ісрмодоноров как в образцах с оловом, гак и без него. Предполаї ается. что образование термодоноров одновременно идет гетерогенном (захват атомов кислорода на имеющиеся в кристалле зародыши) и гомогенным (обьеднненис 4-х дисперсных атомов кислорода) механизмами. Показано, что концентрация атомов кислорода, учасівуюіцнх в таких реакциях, значшельно превышает среднюю. Иїоваленгкая примесь олоі:а в кремнии влияет посредством образовании метастабнлышх комплексов олово-кислород как на гетерогенный, гак и на юмоіенш.ій процессы образования терчюдоиорот». Результатом такого влияния является значительное уменьшение темпа і енерашш кисдородосодержтцих термодоиоров. Показано, что в кремнии с оловом уменьшается энергия активации образования и отжига термодоноров.

Иока.ано, что при прогонном {61 М)Ш облучении образуются два акцепторных »лектроиных уровня, кою рис принадлежат одному радиационному дефекту, в состав которого входя і олово и вакансия. П результе происходит уменьшение эффективности образования основных ваканснонных радиационных дефектов. Установлено температуру отжига данного радиационною дефекта.

(обнаружен сложный характер зависимости канетанїм деградации времени жизни от конисмграции примеси олова. Полученные резулыагы’ обьясняются тем, чю радиационные дефекш образующиеся при гамма-облучении, езшот основными центрами рекомбинации при комнатой іемікратуре при увеличении коннонрации примеси олова. Обнаружено также, что дефекты, которые возникают при отжиге ымма-облученных образцов, являются более еіабнлмшми в л-ЬгУпл чем в контрольном материале. При увеличении концентрации примеси олова увеличивается н концентрация таких стабильных дефектов Показано, тго «отрицательный/» огжиг времени жизни неравновесных носи іелсй тока гамма-облученных образцов л-креминя обусловлен образованием дефекюв У20 (и контрольных образцах) или одновременным образованием дефектов \^0 и У^п (в образцах с оловом), коюрые мвляюгея Ефективними рекомбинационными центрами. Определены харакіеристики них дефектов.

Ключееьи айва', кремний, олово, термообработка, термодоноры, прогонное облучение,

і мммач>блучсние, термические дефекты. ращациинные дефекты, огжнг дефектов.

Kras’ko M.M. Influence of isiwalenl impurity of tin on thermal and radiation creation of defects in silicon. - Manuscript.

Thesis for scientific degree of candidate in physical and mathematical sciences on speciality 01.01.07 - solid state physics. - Institute of Physics uf National Academy of Sciences o) Ukraine. Kyiv, 2000. . .

The experimental results of isovalent impurity inlluciice of tin on electrophysical properties of silicon under thermal and radiation treatments are investigated in the work. Che influence of tin-doping on the processes of creation and annealing of thermal and radiation defects is found out. It is shown the activation energy of creation and annealing of thcrmodonors decreases in the silicon with tin during thermal treatment at 450 °C. The model of tin influence on the proecss of thermodonor creation is proposed. The model supposes the existence of metistable defect of oxygen-tin. The theory of thermodonors creation kinetics in the samples as with tin as without tin is created. The creation of two electron levels of acceptor type under the proton (61 M:v) irradiation is also shown that are connected with the same radiation defect with the vacancy in its structure, it is shown the radiation defects that are responsible for changing of life time of current carriers under gamma irradiation in n-Si<Sn> are more thermostable than in n-Si without Sn.

Key words', silicon, tin, heat treatment, thcrmodonors, proton irradiation, gamma irradiation, thermal defects, radiation defects, annealing of dcfccts.