Влияние взаимодействия примесей с глубокими уровнями Mn, Ni и Fe на их распределение и спектр энергетических уровней в кремнии

Юсупова, Шаира Абдувалиевна

Влияние взаимодействия примесей с глубокими уровнями Mn, Ni и Fe на их распределение и спектр энергетических уровней в кремнии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Юсупова, Шаира Абдувалиевна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

1998 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.10 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Влияние взаимодействия примесей с глубокими уровнями Mn, Ni и Fe на их распределение и спектр энергетических уровней в кремнии»

Автореферат диссертации на тему "Влияние взаимодействия примесей с глубокими уровнями Mn, Ni и Fe на их распределение и спектр энергетических уровней в кремнии"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им.А.Ф.ИОФФЕ

РГБ С8'--

На правах рукописи

г з ноп ив»

ЮСУПОВА Шаира Абдувалиевна

ВЛИЯНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПРИМЕСЕЙ С ГЛУБОКИМИ УРОВНЯМИ Мп, N1 И Ге НА ИХ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ И СПЕКТР ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УРОВНЕЙ В КРЕМНИИ

Специальность (01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена в Физико-техническом институте им.А.Ф.Иоффе РАН и в НИИ прикладной физики Ташкентского государственного университета им.М.Улугбека Республики Узбекистан.

Научные руководители: кандидат физико-математических наук Г.С.Куликов,

кандидат физико-математических наук Ш.Б.Утамурадова.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Л.М.Сорокин,

доктор физико-матс.магических наук Б.А.Котов.

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный технический университет,

Защита состоится 1998 г. в часов на

заседании диссертационного совета К 003.23.02 при Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН по адресу: 194021, Санкт-Петербург, ул.Политехническая, 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим высылать по вышеуказанному адресу ученому секретарю диссертационного совета.

Авторефера! разослан " 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук

С.И.Бахолдин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Примеси различных элементов в полупроводнике и, в частности, в кремнии, как правило, являются одним из основных факторов, определяющих его электрофизические свойства. Это относится и к примесям, создающим глубоколежащие энергетические уровни в запрещенной зоне полупроводника. Элементы переходной группы Периодической системы Мп, № и Ге являются такими примесями в кремнии. Обычно они вводятся (или проникают) в кремний путем диффузии, поскольку являются быстродиффунди-рующими. Изучению поведения этих примесей в кремнии и свойств кремния, легированного ими, посвяшено большое число исследований. При этом обычно изучался материал, легированный одной из примесей. Значительно меньше исследований проводилось на кремнии, легированном (одновременно или последовательно) несколькими примесями с глубокими уровнями (ГУ). Свойства такого материала могут существенным образом зависеть от процессов взаимодействия легирующих примесей с ГУ как между собой, так и с другими имеющимися практически всегда в кремнии примесями - кислородом, углеродом, азотом (иногда их называют "ростовыми") и т.н. "мелкими" (акцепторными или донорными) легирующими примесями - бором, фосфором, сурьмой и др., создающими энергетические уровни, расположенные вблизи краев соответствующих зон. Процессы взаимодействия, протекающие в такой достаточно сложной системе, могут проявляться в изменении распределения одной примеси и ее общего содержания в материале в результате введения другой, в образовании дефектов структуры - кластеров различных комплексов и преципитатов, включающих атомы примесей и кремния, в эффективном внутреннем или внешнем (поверхностном и приповерхностном) генерировании при диффузионном введении примеси. в трансформации энергетического спектра ГУ, в измененении оптических и других свойств легированного материала.

В этой связи экспериментальное изучение процессов взаимодействия примесей с ГУ между собой и с примесью кислорода в кремнии является актуальной темой исследования, поскольку получение таких экспериментальных данных, в частности, для примесей Мп, N1 и Ре способствует развитию фундаментальных представлений о поведении примесей в полупроводниках и позволяет прогнозировать свойства кремния при введении или проникновении в него нескольких примесей с ГУ, а также разработать методы очистки материала от определенных примесей.

К началу наших исследований был известен ряд работ, посвященных изучению процессов взаимодействия примесей с ГУ в кремнии. В частности, было показано, что примесь Мп, вводимая с помощью диффузии в кремний, содержащий Б или Бе, может образовывать примесные комплексы с этими элементами (типа 5148Мщ) [I]. Было обнаружено взаимодействие Мп в с ростовыми примесями О и С [2], а также с примесью Zn [3]. Было установлено, что примесь №, введенная диффузией в 81, содержащий Мп, стабилизирует свойства твердого раствора Мп^ [4]. При этом практически вне внимания исследователей остался ряд важных аспектов, определяющих картину взаимодействия:

- влияние диффузионного легирования кремния одной примесью с ГУ на полную концентрацию и концентрационное распределение другой,

- влияние содержания, распределения и состояния кислорода на полную концентрацию и диффузионный профиль примесей с ГУ,

- влияние режимов охлаждения после диффузионного насыщения кремния, термообработок и концентрации кислорода на взаимодействие между примесями с ГУ и комплексами 51-0.

Цель и задачи исследования. Перечисленные аспекты

явились основой для формулирования цели настоящей работы и ее основных задач. Целью работы являлось комплексное исследование взаимодействия примесей с ГУ в кремнии между собой и с кислородом.

Основными задачами работы были:

- исследование влияния диффузии одной из примесей с ГУ (Мп, №. Ре) на поведение другой - на ее диффузионное распределение, полную концентрацию и спектр энергетических уровней в запрещенной зоне кремния;

- изучение влияния содержания, распределения и состояния примеси кислорода на диффузионные профили марганца и никеля, а также воздействия технологических факторов (режимов отжига и охлаждения) на образование структурных дефектов, включающих цнффузионно-введенные в атомы Мп и N1.

Научная новизна. В работе впервые:

- исследовано взаимное влияние диффузионного насыщения кремния примесями Мп и N1 на их концентрационные распределения:

- исследовано перераспределение железа в кремнии при последовательной диффузии металла (Мп, №, Аи, Р1 и др.), установлена возможность очистки локальных объемов кремния от примеси железа геттерирующим поверхностным слоем металла;

исследовано влияние примеси железа, а также ростовой примеси кислорода на диффузионные профили Мп и N1 в кремнии;

- установлено генерирование примеси никеля поверхностным :лоем Ре или Мп. а примеси марганца - Аи или Рг,

установлены технологические факторы, определяющие сннетику образования дефектов структуры - кислородно-кремниевых гомплсксов, включающих введенные диффузией примеси Мп и N1'.

Научная и практическая ценность. Результаты вьшолненного ^следования способствуют развитию фундаментальных представлении | поведении примесей и их взаимодействии друг с другом в юлупроводниках. Они существенны также для оптимизации ехнологических режимов диффузии и полезны для решения проблемы табильности полупроводниковых материалов и приборов. 1олученные результаты могут быть использованы в производстве олупроводниковых структур на основе кремния, в частности, для

очистки активных элементов этих структур от нежелательных примесей (Ре, N0 посредством использования эффекта геттерирования, в том числе локального геттерирования.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Одновременное или последовательное диффузионное легирование кремния примесями с глубокими уровнями (Мп, Ре) приводит к взаимодействию их как между собой, так и с ростовой примесью -кислородом. Взаимодействие примесей проявляется в их геттерирова-нии и образовании структурных дефектов, включающих эти примеси.

2. Следствием взаимодействия примесей Мп, N1 и Ре является изменение концентрационных профилей примесей и концентрации их электрически-активных атомов, а также изменение спектра энергетических уровней в запрещенной зоне.

3. Характер взаимодействия примесей с глубокими уровнями (Мп, №. Ре), диффузионно-вводимых из слоя на поверхности в кремний, зависит от последовательности диффузионного легирования.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на II Всесоюзной конференции по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках (Ташкент, 1988 г.), на Республиканской конференции молодых ученых-физиков ВУЗов (Ташкент, 1989 г.), на Научно-технической конференции "Перспективные материалы твердотельноР электроники. Твердотельные преобразователи в автоматике V робототехнике" (Минск, 1990 г.), на I Российской конференции пс физике полупроводников (Нижний Новгород, 1993 г.), н; Международной научно-практической конференции "Актуальны! проблемы физики полупроводниковых приборов" (Ташкент, 1997 г.) на III Российской конференции по физике полупроводнико] "Полупроводники-97" (Москва, 1997 г.), на научных семинарах ; Ташкентском государственном университете им. М. Улугбека 1 Физико-техническом институте им.А.Ф.Иоффе РАН.

Публикации. Результаты диссертационной работы содержатся 11 публикациях, список которых приведен в конце реферата.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов, заключения и списка цитируемой литературы из 126 наименований. Диссертация изложена на 156 страницах, включая 40 рисунков и 8 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи работы, отмечены ее новизна, научная и практическая значимость полученных результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту, а также описана структура диссертации.

В первой главе приведен литературный обзор. Представлены данные о поведении марганца, никеля и железа в кремнии и о глубоких центрах, образующихся при введении этих примесей в кремний. Систематизированы параметры глубоких уровней (ГУ) марганца, никеля и железа в кремнии, наблюдавшихся различными авторами. Отмечены основные направления, по которым проводилось исследование поведения этих примесей в кремнии, а также приведены сведения, относящиеся к их взаимодействию с другими примесями в кремнии.

В заключении обзора сделан вывод о том, что данные о свойствах марганца, никеля и железа в кремнии, полученные различными авторами, не всегда однозначны, а нередко и противоречивы. Вопросы же взаимодействия этих примесей между собой и с другими примесями (в частности, с кислородом), влияния диффузии одной из примесей на концентрационное распределение и спектр энергетических уровней другой, а также воздействия различных технологических факторов на эффективность взаимодействия примесей с глубокими уровнями до настоящего времени вообще были мало изучены. На основании вывода сформулированы цель и задачи диссертации.

Во второй главе описана методика эксперимента. Исследование диффузионного профиля примесей марганца, никеля и железа в кремнии проводилось с применением радиоактивных методов (метод послойного радиометрирования, и метод авторадиографии). При этом использовались радиоактивные изотопы 54Mn, 63Ni и 59Fe. Диффузионное легирование проводилось из слоя примеси, напыленного (или нанесенного из раствора соли) на поверхность образцов, в интервале температур 1000 -н 1200 °С на воздухе или в атмосфере аргона с последующим быстрым охлаждением - закалкой (~ 1000 град/с).Времени диффузионного отжига (2 - 6 час.) было достаточно для равномерного насыщения объема образцов. В отдельных случаях некоторые образцы после диффузионного легирования подвергались высокотемпературной обработке (ВТО) при 1100 °С в течение 10 часов, либо низкотемпературной обработке (НТО) при 150 - 200 °С в течение 10 - 120 мин. В качестве материала для исследования был использован кремний, полученный бестигельной зонной плавкой (БЗП) или по Чохральскому, с содержанием кислорода 1016 - 1018 см-3 и углерода (1.7 - 2.7) 1017 см°. Использовались также специально приготовленные образцы со слоем (диффузионным профилем) кислорода и образцы с частицами второй фазы (SiOj). Содержание кислорода определялось с помощью ИК-спектроскопии. Плотность дислокаций в образцах составляла 10 - 104 см-2.

Анализ спектра энергетических уровней, вносимых примесями в запрещенную зону кремния, а также измерение концентрации электрически-активных атомов примесей проводились с применением емкостных методик (методы нестационарной емкостной спектроскопии глубоких уровней - DLTS и фотоемкости - ФЕ). Емкостные измерения производились на диодных структурах, изготовленных на основе образцов кремния, легированных марганцем, никелем или железом.

Изучение образования структурных дефектов в кремнии, легированном примесями с ГУ, осуществлялось с помощью рентгеновской топографии и ИК-микроскопии.

В этой главе описаны также способы подготовки образцов, режимы их диффузионного отжига, отмечены особенности методов послойного радиометрирования и авторадиографии, а также приведены схемы измерительных установок.

Третья глава посвящена исследованию влияния диффузионного легирования кремния одной из примесей с глубокими уровнями (ГУ) -марганцем, никелем или железом - на поведение другой с помощью радиоактивных и емкостных методов.

Образцы предварительно легировались радиоактивной примесью, после чего с них удалялся приповерхностный слой. Затем на поверхность образцов наносилась другая, нерадиоактивная примесь и проводился повторный диффузионный отжиг при той же температуре и том же времени, при которых производилось легирование радиоактивной примесью. Одновременно такому же отжигу подвергались и контрольные образцы (без слоя нерадиоактивной примеси на поверхности). После отжига вновь анализировалось концентрационное распределение радиоактивной примеси.

Как показывают полученные результаты, отжиг легированных радиоактивным никелем образцов со слоем марганца или железа на поверхности приводит к понижению величины полной концентрации никеля в объеме примерно на порядок (от 21017 до 3 1016 см-3) и к одновременному повышению полной концентрации никеля у поверхности также на порядок до значения 2.5 1018 см-3 по сравнению с исходным образцом. Такой же эффект наблюдается при отжиге образцов, легированных радиоактивным железом, на поверхность которых был нанесен слой марганца или никеля. Отжиг же образцов, предварительно легированных радиоактивным марганцем, со слоем никеля или железа на поверхности, приводит к заметно более слабому понижению величины полной концентрации марганца (от ~ 1.5 1016 до 41015 см-3). Следует отметить, что такое же понижение полной концентрации марганца наблюдается и на контрольных образцах - без

слоя никеля или железа, что является следствием экзодиффузии атомов Мп в процессе отжига.

Существенное понижение величины полной концентрации никеля и железа при одновременном повышении полной концентрации этих примесей в приповерхностной области мы связываем с эффектом геттерирования. Важно при этом отметить, что геттерирование осуществляется двояким образом. Во-первых, в результате взаимодействия легирующей радиоактивной примеси со слоем металла, нанесенного на поверхность кремния, или с образующимися в процессе отжига поверхностными слоями фаз силицидов Мех51у или силикатов МехБЮу. И во-вторых, в результате взаимодействия примеси с кластерами таких фаз, возникающими в приповерхностной области при отжиге кремния со слоем металла на поверхности. Существование подобных кластеров было ранее установлено при исследовании приповерхностной области кремния, легированного примесью марганца [5].

Отчетливо выраженное геттерирование никеля или железа в образцах со слоем марганца на поверхности и отсутствие геттерирования атомов марганца в образцах, отожженных со слоем никеля или железа можно рассматривать как зависимость взаимодействия примесей с ГУ от последовательности введения их в кремний. Такая зависимость полученных результатов от последовательности диффузионного легирования, по нашему мнению, обусловлена рядом факторов, и прежде всего, различием в энергиях образования силицидов: энтальпия образования силицидов никеля в полтора раза выше, чем силицидов марганца (например, ДНы^ = -21.4 ккад/моль ¡1 ДНмпЗ) = -14.5 ккал/моль). Следует также принимать во внимание разный характер напряжений, возникающих в кремнии при образовании силицпдных и силикатных кластеров, что связано с различием в кристаллической структуре и постоянных кристаллической решетки этих фаз и решетки кремния.

Наглядное подтверждение эффекта геттерирования было получено нами методом авторадиографии. Эксперимент состоял в

следующем. Через маску с круглыми отверстиями на образцы, равномерно легированные радиоактивным железом, напылялся в виде кружков слой нерадиоактивного металла (Мп, N1), а затем проводился отжиг (в интервале 800 - 1200 °С). На авторадиограммах, снятых после отжига, в кружках, где был напылен металл, наблюдалось интенсивное почернение, что свидетельствует о геттерировании железа. Послойным авторадиографированием установлено, что в процессе отжига железо удаляется из локальной области под слоем металла. При этом площадь и глубину очистки можно контролировать подбором технологических режимов. Локальное геттерирование железа мы наблюдали также в случае напыления слоев ряда других металлов - золота, платины, кобальта, свинца и олова. Эксперименты по локальной очистке объемов кремния от никеля были выполнены нами с использованием радиоактивной примеси никеля и слоя нерадиоактивного марганца или железа, напыленного в виде кружков на поверхность кремния. С помощью слоев золота и платины удается локально геттерировать и примесь марганца.

Взаимодействие примесей с глубокими уровнями в кремнии проявляется и » изменении спектра энергетических уровней в запрещенной зоне. Как показывают полученные результаты, диффузионное легирование образцов кремния никелем приводит к появлению в запрещенной зоне ГУ с энергиями ионизации: Ее - 0.20 и Ее - 0.41 эВ и сечениями захвата электронов оь = 3.21016 см2 и ст* = I.НО-16 смг, соответственно. Концентрация электрически-активных атомов N1 составляет величину ~ 6 1013 см-3. Сопоставление спектров БЬТБ в легированных и контрольных образцах показало, что ГУ Ее - 0.20 эВ наблюдается н в термообработанных без никеля образцах. Таким образом, непосредственно с никелем в кремнии связан уровень Ее - 0.41 эВ. Повторный отжиг контрольных образцов сопровождается слабым понижением высоты пиков на спектрах ОЬТ5, что свидетельствуют о небольшом (примерно в два раза) уменьшении концентрации электрически-активных атомов никеля.

Иная картина наблюдается после повторного отжига образцов 8К№> со слоем металла на поверхности. Так, в случае слоя железа высота пиков уменьшается весьма существенным образом, указывая на значительное (почти на порядок) понижение концентрации электрически-активных атомов никеля. Еще более существенные изменения имеют место при отжиге легированных никелем образцов кремния со слоем марганца на поверхности. В этом случае уровни никеля после отжига вообще исчезают, и вместо них появляются два ГУ, присущие марганцу в кремнии: Ес - 0.42 и Ес - 0.54 эВ с сечениями захвата электронов оп = 8.0 1015 см2 и стп = 2.0-1 О*14 см2, соответственно, а также упомянутый выше уровень Ее - 0.20 эВ (стп = 7.0 1017 см2), наблюдаемый и в контрольных (нелегированных марганцем) образцах. Концентрация электрически-активных атомов Мп составляет величину порядка 2 ¡О-14 см-3. Дополнительные эксперименты с низкотемпературной обработкой образцов 51<№. Мп> показали, что отжиг ГУ марганца происходит в 5-6 раз медленнее, чем в образцах 81<Мп>. Это свидетельствует о том, что атомы никеля, не проявляя электрической активности в объеме Б1<№, Мп>, стабилизируют электрофизические свойства уровней марганца.

Аналогичные результаты были получены нами на образцах, подвергнутых диффузионному легированию железом. В таких образцах на спектрах ФЕ, наблюдается ступенька, соответствующая уровню железа в кремнии: Е* + 0.41 эВ. Повторный отжиг этих образцов без слоя металла на поверхности приводит лишь к небольшому понижению ступеньки на спектрах ФЕ, что свидетельствует о небольшом (примерно в 2-3 раза) уменьшении концентрации электрически-активных атомов железа. В то же время повторный отжиг образцов с нанесенным на поверхность слоем никеля или марганца приводит уже к существенному (до полутора порядков) понижению концентрации электрически-активных атомов железа. При этом в образцах появляются уровни, характерные для никеля или марганца, соответственно.

Образцы, диффузионно-легированные железом, мы отжигали также со слоями платины, кобальта или золота на поверхности. Во всех случаях мы получали сходные результаты — концентрация электрически-активных атомов железа уменьшалась. На спектрах БЬТБ наблюдались уровни, соответствующие этим примесям. Однако в случае золота мы обнаружили дополнительный пик, соответствующий новому глубокому уровню Ее-0.37 эВ.

В образцах. диффузионно-легированных марганцем,

наблюдаются два указанных выше ГУ, отражающих присутствие примеси марганца в кремнии. По данным БЬТБ, отжиг этих образцов имеет своим следствием уменьшение концентрации электрически-активных атомов марганца, причем это уменьшение не зависело от того, находится ли на поверхности образцов слой металла (никеля или железа) или нет (контрольный образец).

Сопоставление результатов радиоактивных и емкостных измерений позволяет сделать вывод о взаимодействии примесей с ГУ (Мп, №, Ре) при их диффузионном введении в кремний и выявить корреляцию в изменениях полной концентрации и концентрации электрически-активных атомов примесей. Взаимодействие примесей при введении марганца или железа в кремний, легированный никелем, приводит к уменьшению полной концентрации и концентрации электрически-активных атомов никеля. Присутствие марганца приводит к исчезновению уровней никеля в запрещенной зоне. Результатом взаимодействия примесей при диффузии марганца или никеля в кремнии, легированный железом, также является уменьшение полной концентрации и концентрации электрически-активных атомов железа. Корреляция между полной концентрацией и концентрацией электрически-активных атомов марганца имеет место и при введении никеля или железа в кремний, легированный марганцем. Однако при этом полная концентрация и концентрация электрически-активных атомов марганца не изменяются относительно контрольного образца. В то же время взаимодействие марганца с никелем или железом

проявляется, как указано выше, при обратной последовательности легирования.

Четвертая глава посвящена исследованию взаимодействия примесей с глубокими уровнями (ГУ) - никеля и марганца с ростовой примесью - кислородом в кремнии. Изучено влияние содержания и распределения кислорода и присутствия частиц БЮз на величину полной концентрации никеля и марганца, диффузионно-введенных в кремний, а также на концентрацию электрически-активных атомов этих примесей. Особое внимание уделено изучению структурных дефектов - кислородно-кремниевых комплексов, включающих атомы никеля и/или марганца и образующихся при диффузионном легировании кремния указанными элементами.

Как показывают полученные результаты, величина полной концентрации никеля в кремнии зависит как от содержания и распределения кислорода, так и от присутствия частиц БЮг. Величина полной концентрации никеля изменяется пропорционально изменению концентрации кислорода. Так, при увеличении содержания кислорода в кремнии на порядок от ~ 1016 до - 10" см-3, величина полной концентрации никеля увеличивается также почти на порядок от ~ 2 10" до ~ МО18 см-3. При этом концентрация электрически-активных атомов никеля уменьшается (в два раза). В образцах кремния с диффузионным слоем кислорода, а также в образцах с частицами БЮг величина полной концентрации никеля возрастает в 5 - 7 раз по сравнению с контрольными образцами (без слоя кислорода и частиц БЮз), а концентрация электрически-активных атомов никеля уменьшается.

В отличие от никеля, величина полной концентрации марганца не зависит ни от содержания и распределения кислорода, ни от присутствия частиц БЮг. Так, увеличение концентрации кислорода более, чем на два порядка (от 5-10'5 до 1.8-1018 см-3), не приводит к сколько-нибудь заметному изменению величины полной концентрации марганца (^ 1016 см-3 при 1200 °С). Полная концентрация марганца не

изменяется и в образцах со слоем кислорода, а также в присутствии частиц SiCh (с концентрацией 5 10* см 3). Однако, в отличие от полной концентрации марганца концентрация его электрически-активных атомов зависит от содержания кислорода в кремнии и от присутствия частиц SÍO2. Так, концентрация электрически-активных атомов марганца возрастает почти в два раза при увеличении концентрации кислорода, как указано выше, более чем на два порядка, и увеличивается в 3-4 раза в присутствии частиц SÍO2.

Далее в четвертой главе излагаются экспериментальные результаты, полученные при изучении структурных дефектов — кислородно-кремниевых комплексов (преципитатов), включающих атомы марганца и/или никеля и образующихся в результате взаимодействия примесей при диффузионном легировании марганцем л/или никелем кремния, содержащего кислород в разных фазовых состояниях.

Поскольку изучаемые примеси с ГУ обладают весьма высокой скоростью диффузии в кремнии (величина их коэффициентов диффузии при Т = 1200 °С составляет ~ 105 - 10"6 см2/с [6]), то даже в течение времени быстрого охлаждения образцов после диффузионного легирования (отжига) протекает процесс распада твердого раствора примесь-кремний. Тем более такой процесс имеет место при медленном охлаждении образцов. При этом на центрах распада происходит образование структурных дефектов (преципитатов).

На основе анализа рентгено-топографического изображения структуры кремния после распада твердых растворов Mn-Si и Ni-Si установлено, что различие между ними заключается в плотности и размерах дефектов. Для образцов Si<Ni> характерны большая их концентрация (109 см-3) и меньший (<1 мкм) размер (по сравнению с Si<Mn>) при одинаковых условиях диффузии и быстром охлаждении. Установлено также, что в образцах с наличием дислокаций диффузия никеля в процессе распада твердого раствора Ni-Si происходит не только к центрам распада, но и на эти дислокационные стоки.

Как следует из полученных результатов, наличие высокой концентрации кислорода в кремнии (близкой к предельной его растворимости, 1.81018 см-3), медленное охлаждение (200 град./час) образцов, легированных марганцем или никелем, или любая последующая термообработка (ВТО, НТО) достаточны для образования крупных преципитатов, которые могут быть выявлены на рентгеновских топограммах. Из перечисленных факторов, влияющих на образование таких преципитатов, фактором, наиболее сильно воздействующим, является медленное охлаждение, которое позволяет наблюдать крупные центры (с размером области поля напряжений около 10 мкм), сильно деформирующие решетку кремния. В этом случае дефекты выявляются при любом содержании кислорода. При этом, чем меньше концентрация оптически активного кислорода, тем крупнее преципитаты, формирующиеся в процессе распада твердых растворов Mn-Si и Ni-Si, протекающих во время охлаждения образцов. В случае же большой концентрации оптически активного кислорода формируются более мелкие дефекты (<1 мкм), но с большой плотностью (~ I09 см-3). Это позволяет предположить, что возможными центрами образования преципитатов примесей марганца и никеля в кремнии являются атомы кислорода.

Отмеченные выше факторы взаимосвязаны - чем меньше концентрация кислорода, тем существеннее фактор медленного охлаждения для образования преципитатов. Это объясняется тем, что формирование сложных комплексов (преципитатов), в состав которых входят и атомы примесей марганца и никеля (а также, вероятно, и углерод), требует некоторого времени, необходимого для диффузии атомов к центрам преципитации в процессе распада твердых растворов примесей при охлаждении образцов.

Обнаружено, что в случае быстрого охлаждения после диффузионного легирования кремния марганцем или никелем также можно наблюдать преципитаты, однако только в специально приготовленных образцах: с диффузионным слоем кислорода (с

изменением концентрации от 1018 до 51016 см-3) или с частицами ЭЮг, что опять таки свидетельствует о важной роли кислорода в этих процессах.

При легировании никелем обычного кремния (без слоя кислорода и частиц ЭЮг) и в случае быстрого охлаждения после диффузии можно по размытым пятнам интенсивности дифракции на рентгеновских топограммах также судить о наличии большого количества мелких преципитатов. При этом значительно уменьшается оптическая прозрачность образцов кремния с никелем, что не имеет места при легировании марганцем. Такое различие связано с тем, что ухудшение прозрачности образцов кремния с никелем обусловлено, в первую очередь, большим количеством рассеивающих центров №х81у по сравнению с числом центров Мп^у в образцах кремния с марганцем. Это определяется различием в растворимостях и концентрациях электрически-активных атомов марганца и никеля в кремнии. Полная концентрация марганца не зависит от содержания кислорода, а концентрация электрически-активных атомов увеличивается с ростом концентрации кислорода. В то же время полная концентрация никеля в кремнии возрастает с увеличением концентрации кислорода, а концентрация электрически-активных атомов никеля уменьшается. Из этого следует, что большая (чем для марганца) часть атомов никеля участвует в формировании структурных дефектов.

В этой главе изложены также результаты, полученные при изучении влияния взаимодействия обеих примесей (Мп, N0 на образование структурных дефектов. С этой целью в образцы кремния обе примеси диффузионно вводились одновременно или последовательно. При одновременной диффузии марганца и никеля наблюдается увеличение концентрации преципитатов и уменьшение их размеров. В этом случае для их выявления на рентгеновских топограммах необходимо было использовать указанные выше факторы с целью укрупнения преципитатов. Одновременная диффузия марганца

и никеля приводит также к еще большему (по сравнению с прозрачностью Si<Ni>) ухудшению прозрачности кремния, легированного одновременно и марганцем, и никелем (Si<Mn, Ni>). Мы полагаем, что марганец создает комплексы (по-видимому, силициды, силикаты и нейтральные комплексы с Ni), являющиеся дополнительными стоками (геттером) для никеля, что и уменьшает прозрачность Si<Mn, Ni>.

Эффект генерирования марганцем атомов никеля внутри кремния был установлен нами в радиоактивных экспериментах с последовательным диффузионным легированием кремния вначале нерадиоактивным марганцем, а затем радиоактивным никелем. Результаты исследований показали, что общее содержание никеля в образцах Si<Mn, 63Ni> увеличилось почти в пять раз (от 21017 до 7-10'7 см-3) по сравнению с образцами Si<Ni>, предварительно не легированными марганцем (контрольные образцы). Это свидетельствует о том, что марганец (его комплексы) стимулирует диффузию никеля в объем, что и приводит к увеличению полной концентрации никеля в кремнии. Установлено, что комплексы марганца, геттерируя атомы никеля (при последовательном диффузионном насыщении вначале марганцем, а затем никелем), образуют дефекты, размеры которых достаточны для выявления рентгено-топографическими методами. При диффузии же в обратной последовательности полная концентрация марганца в образцах Si<Ni, 54Мп> не изменяется и образуются мелкие дефекты, как при легировании кремния одним никелем.

Исследование влияния высокотемпературной и низкотемпературной обработок на формирование преципитатов показало, что ВТО кремния, легированного марганцем ¡¡ли никелем, способствует образованию крупных преципитатов (< 108 см°, единицы мкм) за счет растворения мелких и их коагуляции. В случае же НТО образцов Si<Mn> размер дефектов также увеличивается, и создаваемая ими деформация решетки возрастает. Вероятно, это

объясняется тем, что часть атомов марганца, которая освобождается, как наблюдалось ранее [2], при распаде нейтральных комплексов типа Мп-О, Мп-С, уходит на преципитаты. Аналогичная НТО образцов 81<№> не приводит к заметному изменению дифракционной картины и прозрачности образцов. Сопоставление результатов рентгеновской топографии с данными, полученными нами с помощью ИК-микроскопни, подтверждает эффективность воздействия указанных выше факторов - концентрации и фазового состояния кислорода., последующих термообработок (НТО, ВТО) и скорости охлаждения образцов после диффузионного введения примеси - на формирование структурных дефектов в кремнии с примесями марганца и никеля.

Имеющиеся в литературе данные для энтальпии образования силицидов, оксидов и силикатов марганца и никеля позволили сделать предположения о химическом составе преципитатов и о причинах различного поведения исследованных примесей в кремнии. Энтальпия образования силицидов никеля приблизительно в полтора раза превышает энтальпию образования силицидов марганца. Вместе с тем, прочность связи у оксидов марганца в 1.6 раза выше, чем у соответствующих оксидов никеля. Энтальпия образования более сложных комплексов (силикатов различного состава) также несколько больше у тех, в состав которых входит марганец. При этом температура плавления силикатов марганца выше, чем у силикатов никеля. Можно предположить, что за ухудшение прозрачности кремния с диффузионно-введенным никелем (быстрое охлаждение) ответственными являются, скорее всего, диспергированные по всему объему комплексы 1Чь8}у. При большом содержании кислорода в кремнии введение марганца и никеля может приводить к увеличению концентрации комплексов в виде бинарных окислов марганца и никеля, а также к образованию более сложных преципитатов, состав которых, вероятнее всего, близок к силикатам

марганца и никеля. Выяснение химического состава преципитатов, образующихся при диффузионном введении марганца и никеля в кремний, является отдельной задачей дальнейшего исследования проблемы взаимодействия примесей в кремнии.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Установлено, что при диффузионном легировании кремния примесями с глубокими уровнями (Мп. N1, Ре) имеет место взаимодействие этих примесей между собой и с ростовой примесью -кислородом, проявляющееся в изменении полной концентрации примеси и концентрации электрически-активных атомов и приводящее к образованию структурных дефектов — кислородно-кремниевых комплексов, включающих атомы примеси.

2. Показано, что взаимодействие примесей при введении марганца или железа в кремний, диффузионно-легированный никелем, и при введении марганца или никеля в кремний, диффузионно-легированный железом, приводит к уменьшению полной концентрации и концентрации электрически-активных атомов, соответственно, никеля и железа. Введение никеля или железа в кремний, диффузионно-легированный марганцем, не приводит к изменению полной концентрации и концентрации электрически-активных атомов марганца по сравнению с контрольными образцами. В присутствии марганца атомы никеля не проявляют электрической активности и не создают глубокие уровни в запрещенной зоне кремния, стабилизируя в то же время электрофизические свойства образцов БКМп, №>. Глубокие уровни никеля отсутствуют и при одновременном легировании кремния марганцем и никелем.

3. Установлено, что характер взаимодействия примесей Мп и N1 при диффузионном легировании ими кремния зависит от последовательности введения: при легировании кремния вначале никелем, а затем марганцем полная концентрация никеля в объеме

образцов уменьшается, а при обратном порядке введения примесей, полная концентрация никеля в объеме образцов возрастает.

4. Установлено, что взаимодействие примеси с глубокими уровнями, легирующей кремний, с другой аналогичной примесью, диффундирующей из слоя на поверхности кремния, проявляется зачастую посредством эффекта геттерирования, приводящего к изменению полной концентрации и концентрации электрически-активных атомов примеси. Показано, что геттерами для примеси никеля в кремнии являются слои Ие и Мп, для примеси железа—слои Мп, №, Со, Аи, и Р1, а для примеси марганца—слои Аи и Р1. Показана возможность очистки локальных объемов кремния от примесей с глубокими уровнями с помощью нанесенных на участки поверхности кремния слоев металлов (эффект локального геттерирования).

5. Установлено, что полная концентрация никеля в кремнии зависит от содержания, распределения и фазового состояния в нем кислорода: она возрастает с увеличением концентрации кислорода. Концентрация же электрически-активных атомов никеля уменьшается с ростом концентрации кислорода. В отличие от никеля полная концентрация марганца в кремнии не зависит от содержания, распределения и фазового состояния кислорода в кремнии, а концентрация электрически-активных атомов марганца увеличивается с ростом концентрации кислорода в кремнии.

6. Показано, что диффузионное введение в кремний марганца и никеля приводит к образованию в нем структурных дефектов — кислородно-кремниевых комплексов (преципитатов), включающих атомы марганца и никеля. Факторами, определяющими кинетику их образования, являются: концентрация и фазовое состояние кислорода, последующая термообработка (НТО или ВТО) и скорость охлаждения образцов.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях:

1. Зайнабидинов С.З., Далиев Х.С., Утамурадова Ш.Б., Юсупова Ш.А., Тураев А. Исследование кинетики образования и отжига глубоких уровней в Si<Mn>. ПТезисы докладов Республиканской конференции молодых ученых-физиков ВУЗов. Ташкент, Декабрь, 1988, с.90.

2. Абдурахманов К.П., Лебедев A.A., Зайнабидинов С.З., Куликов Г.С., Утамурадова Ш.Б., Далиев Х.С., Юсупова Ш.А. Исследование межпримесного взаимодействия в Si<Fe. Au, Pt, Со, Ni> с помощью ФЕ и DLTS. //Тезисы докладов Всесоюзной конференции по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках. Ташкент, Октябрь, 1989, с.314.

3. Лебедев A.A., Абдурахманов К.П., Зайнабидинов С.З., Далиев Х.С., Утамурадова Ш.Б., Таджи-Аглаева С.Г., Юсупова Ш.А. Изучение энергетического спектра глубоких уровней, связанных с никелем в кремнии. //Тезисы докладов Всесоюзной конференции МТЭ иТП-90. Минск, Октябрь, 1990, ч.1, с.15-16.

4. Абдурахманов К.П., Куликов Г.С., Лебедев A.A., Утамурадова Ш.Б., Юсупова Ш.А. Исследование поведения примесей марганца и никеля при диффузионном легировании кремния. //ФТП, 1991, т.25, в.6, с.1075-1078.

5. Абдурахманов К.П., Далиев Х.С., Куликов Г.С., Утамурадова Ш.Б., Юсупова Ш.А. Локальное геттерирование железа слоем металла, напыленного на поверхность кремния. //ФТП, 1993, т.27, в.7, с.1222-1224.

6. Куликов Г.С., Витман Р.Ф., Юсупова Ш.А. Диффузионные профили марганца в кремнии с различным содержанием кислорода. //Тезисы докладов 1 Российской конференции по физике полупроводников. Нижный Новгород, Сентябрь, 1993, т.2, с.319.

7. Абдурахманов К.П., Витман Р.Ф., Куликов Г.С., Лебедев A.A., Утамурадова Ш.Б., Юсупова Ш.А. Диффузионные профили марганца

в кремнии с различным содержанием кислорода. //ФТП, 1994, т.28, в.1, с.86-90.

8. Куликов Г.С., Чичикалюк Ю.А., Юсупова Ш.А. Влияние марганца на диффузионное распределение никеля в кремнии. //ФТП, 1995,т.29, в.З, с.469-473.

9. Абдурахманов К.П., Внтман Р.Ф., Гусева Н.Б., Куликов Г.С., Мелех Б.Т., Чичикалюк Ю.А., Юсупова Ш.А. Влияние марганца и никеля на образование структурных дефектов в кремнии. //ФТП, 1996, т.ЗО, в.З, с.392-398.

10. Абдурахманов К.П., Витман Р.Ф., Гусева Н.Б., Куликов Г.С., Мелех Б.Т., Утамурадова Ш.Б., Чичикалюк Ю.А., Юсупова Ш.А. Структурные дефекты в кремнии, легированном марганцем и никелем. //Сборник трудов международной конференции "Актуальные проблемы физики полупроводниковых приборов". Ташкент, Апрель, 1997, с.27-29.

11. Витман Р.Ф., Куликов Г.С., Лебедев A.A., Юсупова Ш.А. Влияние взаимодействия примесей с глубокими уровнями на спектр энергетических уровней в запрещенной зоне кремния. //Тезисы докладов III Российской конференции по физике полупроводников "Полупроводникн-97", ФИАН, Москва, Декабрь, 1997, с. 100.

Цитируемая литература

[1]. Бахадырханов М.К., Аскаров Ш.И., Наркулов Н., Азимов Г.З. Некоторые особенности взаимодействия примесей селена и марганца в кремнии. //Известия АН СССР. Неорганические материалы. 1990, т.26, No. 10, с.2212-2213.

[2]. Лебедев A.A., Абдурахманов К.П., Внтман Р.Ф., Гусева Н.Б., Далиев Х.С., Утамурадова Ш.Б. Взаимодействие атомов марганца с кислородом и углеродом в кремнии. //Препринт No. 1318, ФТИ им. А.Ф.Иоффе АН СССР, Л.,1989, 17 с.

[3]. Лебедев A.A., Абдурахманов К.П., Утамурадова Ш.Б., Далиев Х.С., Витман Р.Ф., Султанов H.A. Кинетика распада в системе кремний-марганец и межпримесное взаимодействие в кремнии, легированном марганцем и цинком. /В кн.: Свойства легированных полупроводниковых материалов/. АН СССР. Институт металлургии. М., 1990, с. 14-18.

[4]. Зайнабидинов С.З., Абдурахманов К.П., Лебедев A.A., Далиев Х.С., Утамурадова Ш.Б., Ходжаев М.Д., Тешабаев А.Т. Взаимодействие никеля с атомами различных элементов в кремнии. /В кн.: Свойства легированных полупроводниковых материалов/. АН СССР. Институт металлургии. М.. 1990, с. 19-22.

[5]. Адамбаев К., Зайцев В.К., Камилов Т.С., Куликов Г.С.. Назыров Д.Э., Ордин C.B. Исследование приповерхностной области кремния, легированного марганцем. //Поверхность. Физика, химия, механика. 1988, No.7, с.66-70.

[6]. Weber E.R. Transition Metals in Silicon. Iii. Appl. Phys., 1983, A 30, p. 1-22.

Отпечатано в типографии ПИЯФ РАН

188350, Гатчина Ленинградской обл., Орлова роща Зак. 430, тир. 100, уч.-изд. л. 1; 21.Х.1998г.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Юсупова, Шаира Абдувалиевна, Санкт-Петербург

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. А.Ф.ИОФФЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ТАШКЕНТСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА им. М.УЛУГБЕКА РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

На правах рукописи

ЮСУПОВА Шаира Абдувалиевна

УДК 621.315.592

ВЛИЯНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПРИМЕСЕЙ С ГЛУБОКИМИ УРОВНЯМИ Мп, N1 И Ре НА ИХ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ И СПЕКТР ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УРОВНЕЙ В КРЕМНИИ

(01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков)

Научные руководители кандидат физ.-мат.наук, с.н.с.

Куликов Г.С. кандидат физ.-мат.наук, с.н.с.

Утамурадова Ш.Б.

Санкт-Петербург 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

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

ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.................................................. 11

1.1. Марганец в кремнии.......................................................... 12

1.2. Никель в кремнии.............................................................. 25

1.3. Железо в кремнии............................................................. 34

ГЛАВА II. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ И ТЕХНОЛОГИЯ

ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБРАЗЦОВ.......................................... 44

2.1. Радиоактивная методика исследования концентрационного распределения Mn, Ni и Fe в кремнии............ 44

2.2. Емкостные методы исследования................................... 56

2.3. Измерение концентрации кислорода и углерода методом ИК-поглощения................................................... 63

ГЛАВА III. МЕЖПРИМЕСНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПРИ ДИФФУЗИОННОМ ЛЕГИРОВАНИИ КРЕМНИЯ Mn, Ni И Fe.......................................................................... 67

3.1. Влияние марганца и железа на поведение

примеси никеля в кремнии.............................................. 67

3.2. Влияние марганца и никеля на поведение

примеси железа в кремнии............................................. 75

3.3. Влияние никеля и железа на поведение

примеси марганца в кремнии.......................................... 87

ВЫВОДЫ.................................................................................. 96

стр.

ГЛАВА IV. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПРИМЕСЕЙ Мп И № С РОСТОВОЙ ПРИМЕСЬЮ -

КИСЛОРОДОМ В КРЕМНИИ........................................... 98

4.1. Концентрационные распределения никеля в кремнии с различным содержанием кислорода....................100

4.2. Концентрационные распределения марганца в кремнии с различным содержанием кислорода..........105

4.3. Влияние марганца и никеля на образование структурных дефектов в кремнии.................................112

4.4. Состояние примесей марганца, никеля и железа

в кристаллической решетке кремния............................126

ВЫВОДЫ.............................................................................. 137

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ...................................................... 139

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................... 143

ЛИТЕРАТУРА............................................................................. 144

ВВЕДЕНИЕ

ствующих зон. Процессы взаимодействия, протекающие в такой достаточно сложной системе, могут проявляться в изменении распределения одной примеси и ее общего содержания в материале в результате введения другой, в образовании дефектов структуры - кластеров различных комплексов и преципитатов, включающих атомы примесей и кремния, в эффективном внутреннем или внешнем (поверхностном и приповерхностном) геттерировании при диффузионном введении примеси, в трансформации энергетического спектра ГУ, в измененении оптических и других свойств легированного материала.

В этой связи экспериментальное изучение процессов взаимодействия примесей с ГУ между собой и с примесью кислорода в кремнии является актуальной темой исследования, поскольку получение таких экспериментальных данных, в частности, для примесей Мп, № и Ре способствует развитию фундаментальных представлений о поведении примесей в полупроводниках и позволяет прогнозировать свойства кремния при введении или проникновении в него нескольких примесей с ГУ, а также разработать методы очистки материала от определенных примесей.

К началу наших исследований был известен ряд работ, посвященных изучению процессов взаимодействия примесей с ГУ в кремнии. В частности, было показано, что примесь Мп, вводимая с помощью диффузии в кремний, содержащий Б или Бе может образовывать примесные комплексы с этими элементами (типа 8148Мп2). Было обнаружено взаимодействие Мп в в! с ростовыми примесями О и С, а также с примесью Тп. Было установлено, что примесь М|, введенная диффузией в 81, содержащий Мп,

стабилизирует свойства твердого раствора Мп-вЬ При этом практически вне внимания исследователей остался ряд важных аспектов, определяющих картину взаимодействия:

влияние содержания, распределения и состояния кислорода на полную концентрацию и диффузионный профиль примесей с ГУ,

- влияние режимов охлаждения после диффузионного насыщения кремния, термообработок и концентрации кислорода на взаимодействие между примесями с ГУ и комплексами ЭьО.

Цель и задачи исследования. Перечисленные аспекты явились основой для формулирования цели настоящей работы и ее основных задач. Целью работы являлось комплексное исследование взаимодействия примесей с ГУ в кремнии между собой и с кислородом.

Основными задачами работы были:

- исследование влияния диффузии одной из примесей с ГУ (Мп, N1, Ре) на поведение другой - на ее диффузионное распределение, полную концентрацию и спектр энергетических уровней в запрещенной зоне кремния;

- изучение влияния содержания, распределения и состояния примеси кислорода на диффузионные профили марганца и никеля, а также воздействия технологических факторов (режимов отжига и охлаждения) на образование структурных дефектов, включающих диффузионно-введенные в атомы Мп и №.

Научная новизна. В работе впервые:

- исследовано взаимное влияние диффузионного насыщения кремния примесями Мп и № на их концентрационные распределения;

- исследовано перераспределение железа в кремнии при последовательной диффузии металла (Мп, 1\Н, Аи, Р1 и др.), установлена возможность очистки локальных объемов кремния от примеси железа геттерирующим поверхностным слоем металла;

- исследовано влияние примеси железа, а также ростовой примеси кислорода на диффузионные профили Мп и № в кремнии;

- установлено геттерирование примеси никеля поверхностным слоем Ре или Мп, а примеси марганца - Аи или РЪ

- установлены технологические факторы, определяющие кинетику образования дефектов структуры - кислородно-кремниевых комплексов, включающих введенные диффузией примеси Мп и N1

Научная и практическая ценность. Результаты выполненного исследования способствуют развитию фундаментальных представлений о поведении примесей и их взаимодействии друг с другом в полупроводниках. Они существенны также для оптимизации технологических режимов диффузии и полезны для решения проблемы стабильности полупроводниковых материалов и приборов. Полученные результаты могут быть использованы в производстве полупроводниковых структур на основе кремния, в частности, для очистки активных элементов этих структур от нежелательных примесей (Ре, №) посредством использования эффекта геттерирования, в том числе локального геттерирования.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Одновременное или последовательное диффузионное легирование кремния примесями с глубокими уровнями (Mn, Ni, Fe) приводит к взаимодействию их как между собой, так и с ростовой примесью - кислородом. Взаимодействие примесей проявляется в их геттерировании и образовании структурных дефектов, включающих эти примеси.

2. Следствием взаимодействия примесей Mn, Ni и Fe является изменение концентрационных профилей примесей и концентрации их электрически-активных атомов, а также изменение спектра энергетических уровней в запрещенной зоне.

3. Характер взаимодействия примесей с глубокими уровнями (Mn, Ni, Fe), диффузионно-вводимых из слоя на поверхности в кремний, зависит от последовательности диффузионного легирования.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на II Всесоюзной конференции по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках (Ташкент, 1988 г.), на Республиканской конференции молодых ученых-физиков ВУЗов (Ташкент, 1989 г.), на Научно-технической конференции "Перспективные материалы твердотельной электроники. Твердотельные преобразователи в автоматике и робототехнике" (Минск, 1990 г.), на I Российской конференции по физике полупроводников (Нижний Новгород, 1993 г.), на Международной научно-практической конференции "Актуальные проблемы физики полупроводниковых приборов" (Ташкент, 1997 г.), на III Российской конференции по физике полупроводников "Полупроводники-97" (Москва, 1997 г.), на научных семинарах в

Ташкентском государственном университете им. М. Улугбека и Физико-техническом институте им.А.Ф.Иоффе РАН.

Публикации. Результаты диссертационной работы содержатся в 11 публикациях, список которых приведен в конце диссертации.

Во Введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи работы, отмечены ее новизна и научная и практическая значимость полученных результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту, а также описана структура диссертации.

Первая глава посвящена литературному обзору. В этой главе изложены опубликованные данные о поведении марганца, никеля и железа в кремнии. Приведен обзор сведений о глубоких центрах, образующихся при введении этих примесей в кремний. Систематизированы параметры глубоких уровней (ГУ) марганца, никеля и железа в кремнии, наблюдавшиеся различными авторами. Отмечены основные направления, по которым проводились исследования этих примесей в кремнии, а также приведены данные об их взаимодействий с другими примесями в кремнии.

Вторая глава посвящена описанию использованных в диссертации экспериментальных методик. Приведены схемы и описания измерительных установок для определения полной концентрации примеси, а также концентрации электрически-активных атомов

и спектра ГУ в кремнии методами радиоактивных изотопов и емкостной спектроскопии, соответственно.

Третья глава посвящена исследованию взаимного влияния диффузионного легирования (насыщения) кремния одной из примесей - марганцем, никелем или железом - на концентрационное распределение и спектр энергетических уровней другой.

Четвертая глава посвящена исследованию взаимодействия примесей с ГУ - никеля и марганца с ростовой примесью - кислородом в кремнии. Изучено влияние содержания и распределения кислорода и присутствия частиц ЗЮ2 на величину уровня полной концентрации никеля и марганца, диффузионно-введенных в кремний, а также на концентрацию электрически-активных атомов этих элементов. Особое внимание уделено изучению структурных дефектов - кислородно-кремниевых комплексов, включающих атомы никеля и/или марганца и образующихся при диффузионном легировании кремния указанными элементами.

В Заключение диссертации сформулированы основные результаты.

ГЛАВА В ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Изучению поведения примесей, вносящих локальные глубокие уровни (ГУ) в запрещенную зону полупроводников, посвящено большое число публикаций, в том числе обзоров и монографий (например, [1 - 9]. Как правило, в них исследуется влияние таких примесей на электрофизические и фотоэлектрические свойства полупроводников, анализируются их диффузия и растворимость в материале. Эти исследования стимулированы как постановкой и решением фундаментальных задач (в том числе и развитием теории глубоких центров в полупроводниках), так и практическими целями, обусловленными технологией полупроводникового приборостроения. В значительно меньшей мере, в частности, в таком полупроводнике как кремний, исследовано влияние взаимодействия примесей, вносящих ГУ, с точечными дефектами (с другими примесями с ГУ, а также с вакансиями и с "мелкими" примесями, уровни которых расположены близко к краям соответствующих зон) на спектр ГУ и диффузионные распределения примесей. В настоящем обзоре представлено некоторое обобщение опубликованных в литературе данных по поведению примесей марганца, никеля и железа в кремнии, в том числе и по взаимодействию этих примесей с точечными дефектами.

1.1. Марганец в кремнии

Поведение марганца в кремнии впервые исследовано в работе Карлсона P.O. [10], где на основе изучения электрофизических свойств кремния, диффузионно легированного марганцем (температурной зависимости постоянной Холла и спектров фотопроводимости), было показано, что эта примесь проявляет в Si до-норные свойства и образует в запрещенной зоне кремния единственный уровень с энергией ионизации Ес - 0.53 эВ. В [10] приведены также данные о том, что значение коэффициента диффузии марганца при 1200°С превышает 210"7см2/с, а растворимость марганца при этой температуре составляет 1.51016 см"3.

Людвиг Дж. и Вудбери Г. исследовали состояние марганца в кремнии методом электронно-парамагнитного резонанса (ЭПР) [11 -14]. В этих работах было установлено, что атомы Мп в зависимости от параметров исходного образца, условий диффузии и режима охлаждения могут находиться в кремнии в различных кристаллографических положениях и зарядовых состояниях (в т.ч. и в виде комплексов): Мп++, Мп\ Мп°, Мп", Мп", (Мп°)4, (Мп++В ) и других. Причем первые три состояния наблюдались в образцах, содержащих донорную примесь. Амплитуды спектров этих центров были нестабильны и изменялись при длительном хранении при комнатной температуре. В связи с этим, авторы идентифицируют эти состояния марганца с атомами, находящимися в междоузлиях кремния.

В работах Бахадырханова М.К. и др. [15, 16] было показано, что Si, легированный марганцем, имеет большую фоточувствительность. Ими также обнаружено явление остаточной про-

водимости (ОП), инфракрасное и температурное гашение (ИК и ТГ) остаточной проводимости. Авторы [15, 16] установили, что марганец в кремнии образует единственный донорный уровень в верхней половине запрещенной зоны с энергией ионизации Ес - 0.5 эВ.

В работе [17] при изучении кинетики фотопроводимости (ФП) кремния, легированного марганцем, наблюдалось 8 - образное нарастание тока. Длительное нарастание ФП авторы объясняли появлением в 81<Мп>, наряду с уровнем Ес - 0.5 эВ, менее глубоколе-жащих уровней (прилипания) с энергией Ес - 0.15 эВ и концентрацией N > 1014 см3. Сечения захвата электронов на эти уровни прилипания, определенные из кинетики спада ФП, составляли величину ст ~ 10"16 см2.

В работе [18] исследовалось взаимодействие марганца с вакансиями кристаллической решетки кремния. В результате такого взаимодействия междоузельный атом марганца захватывался вакансиями и на спектрах ЭПР наблюдались состояния Мп2" и Мп2+.

В работах [19 - 21] на основе изучения электрофизических и фотоэлектрических свойств 81<Мп> было подтверждено существование донорного уровня Ес - 0.53 эВ. Кроме этого уровня, наблюдался и второй донорный уровень марганца Ес - 0.3 эВ, который автор работы [20] связывает с ассоциациями марганца.

Абдурахманов К.П., Лебедев А.А. и др. [22] исследовали энергетический спектр марганца в п-81<Р> методами нестационарной емкостной спектроскопии глубоких уровней (01_Т8) и ЭПР и обнаружили три ГУ с энергиями ионизации Ес - 0.20, Ес - 0.42 и Ес - 0.54 эВ. При этом авторы считают, что марганец в кремнии является амфотерной примесью и может находиться, по крайней ме-

ре, в трех зарядовых состояниях: Мп", Мп° и Мп+. Энергия ионизации Ei центра Мп", оцененная по высокотемпературной части пика, наблюдаемого на спектрах РИБ, составляет Ес - (0.11 0 0.13) эВ. Уровни с энергией ионизации Ес - (0.10 ч- 0.13) эВ на