Воздействие вольфрамового покрытия на свойства высокоомного компенсированного кремния тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

на правах рукописи

Расмагин Сергей Иосифович

?Г5 ОД '¿■'с Ш Ш)

Воздействие вольфрамового покрытия на свойства высокоомнога компенсированного кремния Специальность 01.04.07 »физика твердого тела

Автореферат диссертация на соискание ученой степени кандидата.физико-математических наук

н/р:

д.ф.м.н., профессор Быковский Ю.А.

Москва» 2000

Работа выполнена в Московском государственном инженерно-физическом институте (техническом университете). • .'?'•-,.'-*' : -

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, Быковский Юрий Алексеевич ;

Официальные оппонеты:

доктор физико-математических наук, Захаров Сергей Михаил они1! ■■".'•'Ч,.::>'-.7

Курова Ида Александровна

Ведущая организация:

РНЦ Курчатовский институт г. Москва

Защита состоится "21" нюня 2000 г. в

на заседании диссертационного совета K053.03.0I в Московском государственном инженерно-физическом институте (техническом университете) по адресу: 115409, г. Москва. Каширское шоссе, д.31, тел.324-84-98,323-91-67 V. " , -

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ

Автореферат разослан '2.7 " ОАр^лЯ' 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физ.-мат. наук, с.н.с,

Руднев И.А.

\ Обшая Характеристика работы

Актуальность проблемы. - ; ; *

Широкое применение полупроводниковых материалов а микроэлектронике делает необходимым тщательное исследование электрофизических свойств полупроводников. Электрофизические свойства полупроводников определяются различными дефектами, например, атомами других элементов, отличных от материала основного вещества, меи^гзельными атомами основного полупроводникового материала, комплексами-примесных атомов с вакансиями. Влияние дефектов (примесей) на электрофизические свойства особенно сильно проявляются, когда возникают соответствующие энергетические уровни в запрещенной зоне полупроводника, которые влияют на время жизни носителей заряда и на величину удельного сопротивления.

В настоящее время серьезно изучается;: взаимовлияние примесей в полупроводниках. Так, например, изучалось поведение меди, золота, платины, вольфрама, железа в кремнии и их взаимодействии с механическими напряжениями. Вольфрам может образовывать дефектные состояния, которые могут влиять на диффузию золота и состояния золота с этими дефектами. В микроэлектронике вольфрам, начинают применять, -при создании больших интегральных схем. Поэтому, важно изучить влияние атомов вольфрама на электрические свойства кремния при высокотемпературных обработках. Золото как примесь в кремнии в одних ситуациях является технологически необходимой, в других оно нежелательно, гак "как/ухудшает качество электронных приборов. Например', свойство примесных, центров золота уменьшать. время жизни неосновных носителей заряда-и увеличивать удельное сопротивление кремния электронного типа проводимости используется в быстродействующих переключающихся приборах, в мошных высоковольтных силовых устройствах; свойство атомов золота образовывать глубокие уровни в запрещенной зоне

кремния используют при создании фсгроприемннков в инфракрасном диапазоне излучений (2 мкм). С другой стороны, глубокие уровни, созданные атомами, золота в кремнии, увеличивают токи утечки при воздействии приложенного \ обратнбго напряжения в полупроводниковых приборах. В данной работе изучали две примеси золото и вольфрам, необходимых для возможного создания радиационностойкого и термостабильного по удельному сопротивлению и времени жизни носителей кремния, который в дальнейшем может использоваться для изготовления р-1-п структур. Что является актуальной научной проблемой и'; имеет большое практическое применение.\ , л Основные цели работы. ."•..-.'■ //...;•"; / _ •• -';•

]) Выяснение возможности получения высокого удельного сопротивления подбором физических приемов создания кремния ''

2) Исследование фотопроводимости кремния, легированного -золотом и вольфрамом, для определения времени' жизни носителей заряда и возможности его уменьшения ■ ' .

3) Изучение процессов взаимодействия примесей золота и вольфрама в результате их диффузии в кремний '

Задачи работы

1) Разработка физических приемов приготовления образцов кремния, легированных золотом и вольфрамом, с малым временем жизни носителей и большим удельным сопротивлением

2) Экспериментальное изучение релаксации фотопроводимости полученной при различных температурах и разных длинах волн для определения времени жизни носителей заряда • -

3) Обнаружение примесей в кремнии по их энергиям ионизации

4) Получение температурных зависимостей сечений захвата носителей заряда на центры рекомбинации

Новые научные результаты: ' : •.*'■■'.: : : / - . - '. . 1. Разработаны физические приемы получения высокоомного кремния:

а) термостабильного до температуры Т=1100 С по удельному сопротивлению и времени жизни носителей

б) стойкого к облучению электронами с потоками (ФН0"-10|Х э/см2) по тем же параметрам. - ' ' . ■ .

2. Получены функциональные зависимости постоянных времени быстрого и медленного процессов релаксации фотопроводимости от .температуры измерения. --3. Выявлено влияние .атомов вольфрама на обеспечение термостабильности и радиационностойкости по времени жизни носителей и удельному сопротивлению кремния. - ■ '. "' • .-.. • " ..'-'. • '.-."' .. •.''•'• ■

4. После проведения высокотемпературных процессов в высокоомном : компенсировванном кремнии определены бесконтактным • неразрушающим

методом три уровня с энергией ионизации Е-Ее-(0.23±0.02) эВ, Е-ЕНО. 17+0.02) эВ, Е~ЕН0.Ц±0.01) эВ.

5. Получено, что образование силицидов вольфрама на поверхности кремния не препятствует диффузии атомов вольфрама в глубь материала при проведении диффузии атомов золота. . ; * '

. Положения, выносимые на защиту. ;л I) Установлено, что центры, созданные атомами вольфрама в процессе термообработки, увеличивают показатель степени температурной зависимости 4 сечения захвата электронов на донорный уровень термодефектов. 2> Обнаружена корреляция между величиной показателя степени температурной зависимости сечения захвата носителей заряда и величиной времени жизни ." носителей. .;••.•. ■ • ;; ' • ■ . -'; ■<'.:■- . '

3) Определены бесконтактным неразрушающим методом в высокоомном компенсированном кремнии три уровня Е=Е<-(0.23±0.02) эВ, Е=Ес-(0.17±0.02) эВ,

Е=Ес-(0.11±о.о 1)эВ -.

4) Показано, что атомы вольфрама способствуют созданию таких комплексов зслота, у которых величина сечения захвата дырок* меньше, чем у комплексов золота, созданных без влияния атомов вольфрама. . / . ; :

5) Установлено влияние атомов ' вольфрама на термостабильность и радиационностойкость по удельному сопротивлению и времени жизни носителей

в кремнии. ' У У '.■■■'•"'•.•."' ' У\ '■'..■ У.-У; ^' *; \Г-Л-' -

Практическая значимость работы.' .-.У.: У - У - . .;

1. Возможность • получения высокоомного /Кремния;термостабильного и ' радиационностойкого по времени жизни носителей л удельному сопротивлению.

2. Предложен бесконтактный неразрушающии метод для определения релаксации У фотопроводимости в кремшш, прошедших/ термообработку, диффузию золота » присутствии вольфрамового покрытия и без него. . -

3. Показана возможность использования полученного кремния для создания структур различного назначения, в частности р^-п диодов. : '--У.'^У-,У-У

• Апробация работы. -'-'.''■■ У' ? ' ' . У ".'.' . У'. ' ;... ;'•

Основные положения работы докладывались и обсуждались на. конференциях У «Надежность и контроль качества изделий .электронной техники», г, Севастополь,' « Научная сессия МИФИ-98 « и «Научная сессия МЙФИ-99» г. Москва, на научно-техническом семинаре «Системы обработки и моделирование сигнала», г. Псков. Результаты, полученные в работе, использованы в отчетах 3 НИР.

Публикации. -

Результаты исследований опубликованы в 7 научных работах. У

Объем и структура диссертации.

Работа изложена на 167-страницах машинописного текста, включает 27 рисунков и 4 таблицы. Состоит из четыре* глав, заключения, списка ■ используемой литературы.

Содержание диссертации : - На основании анализа литературных данных по 'центрам рекомбинации, созданных золотом в кремнии, делается заключение о состоянии проблемы взаимовлияния атомов вольфрама и золота и их воздействии на электрические свойства кремния: Отмечено, что достаточно хорошо исследованы центры рекомбинации, созданные в результате диффузии золота в кремнии. Большое количество работ посвящено исследованию акцепторного уровня золота в кремнии. Остается нерешенными задачи, которые были поставлены выше. Для решение поставленных задач и было предпринято исследование материала.

Были приготовлены образцы из кремния, выращенному по методу Чохральского. По,характеру приготовления образцы разбили на шесть фупп. В первую группу включены образцы, прошедшие термообработку при температурах Т|=800С, Т2=900С и Т?=1000С со свободной поверхностью. В свою очередь, эта группа разбивалась на две подгруппы А и Б В подгруппу А вошли образцы, прошедшие термообработку (ТО) в течение 5 часов. В подгруппу Б вошли образцы, прошедшие ТО в течение 50 часов. Итого, первую группу составили шесть образцов, отличающихся друг от друга температурами ТО п временем ТО. Во вторую , группу включены образцы, прошедшие. ТО при наличии на поверхности слоя вольфрама <М> при температурах Т|=750.С, Т2=800 С, Тз=850 С, Т4=90б С и Т5=1000 С в течение 5 часов. Итого, вторую группу составили четыре образца, отличающиеся температурами ТО при наличии на поверхности слоя <№>. Третью группу составили образцы исходного кремния, в которые проведена диффузия золота <Аи> при разных температурах процесса Т1=800 С, Т2=850 С, Т,=900 С, Т4=950 С и ТчНООО С в течение 5 часов. В третью группу вошли 5 образцов. В четвертую группу включены образцы, прошедшие сначала ТО при разных температурах Т|=750С, Т2=800 С, Т^=850 С и Т4=900 С, а затем диффузию золота <Аи> при тех же самых температурах. Время проведения предварительной ТО было 5 часов, время проведения диффузии золота <Аи>

было также 5 часов. Четвертую группу составили четыре образца, отличающихся температурами проведения диффузии золота <Аи>. В пятую группу включены образцы, прошедшие сначала ТО с покрытием <W> (2 -ая группа) в течение 5 часов при различных температурах Ti=750 С, Тг=800 С, Тз=850 С, Т4-900 С и Т5=1000 С, а затем легированные золотом <Аи> в течение 5 часов при тех же самых температурах. Итого, пятую группу составили пять образцов, отличающихся друг от друга температурами проведения диффузии золота <Ая>. В шестую группу вошли образцы,, прошедшие* диффузию <Аи> в исходный кремний при наличии на повсрхлости слоя <W> при различных температурах в течение 5 часов. Слои золота и вольфрама, были напылены с разных сторон исходного кремния. Шестую группу составили шесть образцов, отличающихся друг от друга температурами диффузии Т|=800 С, Т2=850 (X'Tv=900 С, T.j=950.C, Tj=1000CjiT„-1J00C.

Процессы термообработки и диффузии золота и вольфрам а для всех образцов проводились в вакууме с давлением Р--10"' мм.рт.ст. с последующим "медленным" охлаждением. Охлаждение проходило в печи естественным путем. После диффузии у всех образцов стравливался поверхностный слой толщиной 1-2 мкм. После приготовления образцы поступали па исследование.

Тип проводимости измерялся с помощью термозонда. У всех образцов..тип проводимости был электронным. "Величины удельною сопротивления исследуемых образцов кремния измерялись с помощью четырехзондового метола. Погрешность этого метода составляла 30 %. Была получен график величины удельного сопротивления в зависимости от температуры проведения процесса. Анализируя данный график приходим к следующим заключениям. Оптимальной температурой диффузии золота для получения максимальной величины удельного сопротивления является температура Т=900 С. Важно отметить, что оптимальная температура диффузии золота в исходный кремний при наличии слоя вольфрама смещается в область более высоких температур (Т-=1000 С). И именно

. при наличии вольфрамового покрытия получили максимально высокое удельное : сопротивление; (р=5-104 Ом-см). Итак, атомы вольфрама способствуют компенсации^ т.е. позволяют увеличить удельное сопротивление.

Другой важной характеристикой полупроводника является время жизни носителей тока. Была собрана экспериментальная установка, позволяющая получать кривые релаксации фотопроводимости, 1« которых определяли величину времени релаксации фотопроводимости й ее изменения при различных внешних воздействиях. Кривые релаксации фотопроводимости получали "бесконтактным" . неразрушаюшим метолом с использованием СВЧ волны и импульсного лазерного света. В качестве источника возбуждающего света использовали твердотельный Ы<1:УАС; и полупроводниковый Са-Ая лазеры." В качестве зондирующего излучения использовали микроволновое (СВЧ) излучение с длиной волны А.~3 см и мощностью Р=1.5-3 мВт. Длительность импульса света твердотельного лазера, ' измеренная на полувысоте сигнала, составила 1НМ1|-30±2 не. Время полуспада импульса света составила ()Ш1г~"Н>±1 не.. Энергия в импульсе света составила Е,ш,гЧ0+2 мДж! Длительность импульеа света полупроводникового лазера, измеренная на полувысоте' сигнала, составила 11Ш„-300±20 не, а время полуспада-^нш^ЮО не; Энергия в импульсе света составила Е„>ш= 100±17 нДж.

.Физический принцип метода состоит в следующем: микроволновое (СВЧ) излучение, энергия кванта которого значительно меньше энергии возбуждения примесных и основных атомов, взаимодействует со свободными носителями в разрешенных зонах полупроводника. Это взаимодействие зависит, в частности, от концентрации носителей заряда в зоне проводимости, например концентрации электронов. Изменяя концентрацию неравновесных носителей заряда на величину (Дп) внешним возбуждением;, например, воздействием излучения определенном длины волны X с определенным коэффициентом поглощения а(Х), изменяем величину взаимодействия микроволнового поля с носителями, что выражается в изменений мощности отраженной от полупроводника и прошедшей через него

волны микроволнового поля. Избыточная концентрация." носителей заряда после выключения внешнего излучения спадает с некоторым характерным временем V (временем релаксации фотопроводимости, которое связано с временем жизни носителей). Время жизни носителей определяется как параметрами рекомбинационных центров, так и свойствами уровней прилипания. :,

Величина энергии лазерного излучения, длительность импульса, света, величина СВЧ мощности подбирались таким образом, • чтобы детектор микроволнового излучения работал в линейном режиме й чтобы величина времени жизни носителей была связана со свойствами исследуемых образцов, а не.> с аппаратным временем. После регистрации СВЧ диодом нестационарный сигнал усиливался широкополосным усилителем с коэффициентом усиления к=20б и полосой пропускания 20 МГц. После усилителя нестационарный сигнал фотопроводимости поступал на осциллограф. С целью понижения влияния шумов аналоговый сигнал поступал на АЦП, встроенный в осциллограф. После АЦП сигнал в дискретном виде поступал на контроллер канала общего пользования (КОП). Сигнал записывался 100 раз и усреднялся. Усредненный сигнал релаксации фотопроводимости проверялся на ; экспоненциальность методом наименьших квадратов. . " ' г ; , * /

Релаксация фотопроводимости для обргицов, прошедших термообработку при свободной поверхности : и при наличии . слоя вольфрама, ' имела экспоненциальный характер и=и1ехр(-1/т) с постоянной времени т, которую и : определили как время релаксации фотопроводимости. Релаксация фотопроводимости образцов, прошедших диффузию золота в исходньш кремний со свободной поверхностью (группы 3 и 4) и при наличии на поверхности слоя вольфрама (группы 5 и 6), показывает наличии двух процессов. Эти два процесса релаксации фотопроводимости (РФ) один из которых более быстрый, а "другой более медленный происходят с двумя разными постоянными времени тб и тм по закону и=Ц-,ехр(-1/тс,)+имехр(-1/тм). Здесь обозначили постоянную времени

быстрого процесса РФ как те, а постоянную времени медленного процесса РФ как тм. Как быстрый, так и медленный процессы для всех образцов кремния рассматриваемых, фупп проходили по экспоненциальному закону с постоянной времени тд для быстрого процесса РФ и с постоянной времени т„ для медленного - процесса РФ. Было установлено, что быстрый процесс РФ обусловлен захватом на центры рекомбинации, cвязa¿lныe с акцепторным уровнем золота с энергией ионизации Е=Ес-(0.54±0.02) эВ. Медленный процесс РФ для одних образцов кремния развивался на центрах рекомбинации, для других образцов происходил на проявляющихся после высокотемпературных процессов уровнях прилипания

Для получения информации о параметрах центров рекомбинации и уровней прилипания : кривые релаксации ' фотопроводимости снимались в диапазоне . -температур 100-300 К. Для того, чтобы опуститься в область низких температур был . сконструирован криостат, который позволял дойти до температуры 85 К. Температура исследуемых , образцов кремния измерялась с помощью медь' константановой термопары, которая имела погрешность ±2 К. Используя разработанную нами расчетную программу, были определены величины времени жизни носителей (т-для процесса с одной-постоянной времени РФ, т,-,, тм- для двух процессов РФ). Были получены функциональные зависимости постоянной времени т от температуры для 1и 2 групп образцов. Анализ этих зависимостей привел к следующим заключениям. Термообработка значительно уменьшает величину времени жизни носителей. Так, например, при температуре Т=300 К • величина времени жизни носителей по сравнению с величиной времени исходного кремния уменьшается в 10 раз. Важно отметить, что термообработка кремния с вольфрамовым покрытием сильно уменьшает величину времени жизни носителей по сравнению с временем, полученным для термообработанного кремния без покрытия, т.е. . вольфрам способствует создания дополнительных центров рекомбинации.

Были получены графические, зависимости постоянной времени т« от температуры для 3 и 6 групп образцов. Температурные зависимости т„ для , образцов кремния, легированных одновременно золотом и вольфрамом, проходят значительно выше зависимостей для образцов, легированных только золотом. " Воздействие вольфрама на' процесс диффузии атомов золота проявляется, в сохранении большего времени жизни носителей. Это выражается в изменении величины сечения захвата. Атомы вольфрама способствуют созданию таких комплексов золота, у которых величина сечения захвата, дырок меньше, чем у комплексов золота, созданных без влияния атомов вольфрама (в 10 раз). Известно,; что при температуре Т=1100 С на поверхности кремния образуются силициды вольфрама. При температуре Т=1100 С влияние вольфрама также состоит в сохранении, большего времени жизни носителей заряда: Т.е. при температуре; Т= 1100 С силициды вольфрама не препятствуют диффузии атомов вольфрама в глубь материала при проведении диффузии атомов золота/ ; У-У

Дополнительная термообработка при. температуре Т= I I00 С, кремния, предварительно легированного золотом и вольфрамом, не изменила величину удельного сопротивления и времени жизни носителей заряда.; Т.е. проявляется термостабнльность по удельному сопротивлению н времени жизни носителей в кремнии, легированном золотом и вольфрамом. Это очень важно при. изготовление р-|'-п структур: Известно, что р и п области создаются при высокой ; температуре (Т=П00 С) в. течение 1-2 часов. Термостабильность по удельному сопротивлению и времени жизни носителей в кремнии, легированном только золотом, получить* не удалось. Поэтому, именно агомы вольфрама обеспечивают термостабильность по удельному сопротивлению и времени жизни носителей. Дополнительная термообработка при температуре ТтПОО С самого р-1-п диода ; также не изменила величину удельного сопротивления и время жизни носителей I-слоя. Поэтому, ¡-слой р-нп диода является термостабильным по удельному сопротивлению и времени жизни носителей. Была получена зависимость величин

удельного сопротивления и времени жизни носителей от потока электронов с энергией Е=6.5 МэВ. Из этой зависимости видно, что у образцов, легированных только золотом, после облучения электронами удельное сопротивление сильно возрастает с 460 Ом-см до (2-3)-10* Ом-см и время жизни носителей увеличивается с 0.2 мкс до 2 мкс . Важно отметить, что удельное сопротивление и время жизни носителей в образцах, легированных золотом и вольфрамом, после облучения электронами не изменяется (2-104 Ом-см и 0.35 мкс). С ростом потока электронов удельное сопротивление и время жизни носителей не изменяется в диапазоне Ф-Ю'Мо'* э/см2. Таким образом, при участии вольфрама создаются такие комплексы, которые обеспечивают радиационностойкость по удельному сопротивлению и времени жизни носителей. Облучение электронами р-ьп диода также не изменило удельное сопротивление и время жизни носителей вплоть до потоков ФИО1.* э/см2.! Таким образом, ¿-слой р-1-п диода, созданный на основе высокоомного кремния, является радиационностойким по удельному сопротивлению й времени жизни носителей заряда.

: Были получены графические зависимости величины тм от величины обратной температуре для образцов групп 3-6. Из анализа этих зависимостей получили энергии ионизации примесей. Было предположено, что энергия ионизации равная Е^НЕсЧО-17+0.02) эВ соответствует уровню кислород+вакансия. Энергия ионизации равная . Е,"=Ес-(0.23±0.02) эВ характеризует центры, связанные с вольфрамом. Была рассчитана величина сечения захвата электрона на центр, связанный с вольфрамом, равная ап=2-10"'г> см2. Таким образом, бесконтактным, нёразрушающим методом было обнаружено, что в легированных золотом и вольфрамом образцах кремния помимо акцепторного уровня золота присутствуют уровни центров, связанные с вольфрамом и кислород+впкансия.

Из температурной зависимости т были определены температурные зависимости сечения захвата электронов на донорные уровни термодефектов. Из

температурных зависимостей величин т6 и тм получены температурные зависимости сечения захвата носителей заряда на примесные центры. Анализируя температурные зависимости времени релаксации фотопроводимости и сечения захвата носителей, обнаружили корреляцию между величиной показателя степени температурной зависимости сечения захвата носителя заряда и величиной времени жизни носителей. Чем меньше время жизни носителей, тем больше показатель степени температурной зависимости сечеиия захвата электронов: ' Из температурной зависимости постоянной времени т<-, быстрого процесса РФ была ■ найдена температурная зависимость сечения захвата дырок на отрицательно заряженные цецтры акцепторного золота. Выяснено, что в основе захвата дырок на отрицательно заряженные центру акцепторного золота лежит каскадный механизм захвата. Из температурной зависимости постоянной времени т„ медленного процесса РФ были получены температурные зависимости сечения захвата электронов па центры рекомбинации.- , -..• / - ; : -

Таким образом, было проведено комплексное исследование влияния "атомов,, ; вольфрама и золота на свойства высокоомного кремния! Было выяснено влияние атомов вольфрама на реализацию термостабильности и радиационностойкости по удельному сопротивлению и времени жизни носителей в кремнии, легированном золотом и вольфрамом. В" результате пр<1веденного" сравнительного анализа ; электрических свойств образцов кремния, прошедших разные высокотемпературные процессы, приходим к следующим общим выводам: : -

Основные выводы: , .. ' ; . • • ...'... ■ . .. .. " ;•• ' Л',

1) На основании анализа полученных экспериментальных, данных обнаружен , уровень, связанный с вольфрамом, с энергией ионизации ЕЛ=Е<;:-(0-23+0.02) эВ и величиной сечения захвата электрона <тв=2-10 см2.

2) Помимо уровней, связанных с золотом и вольфрамом,, определены бесконтактным (СВЧ) неразрушающим методом в высокоомном кремнии энергия

ионизации комплекса кислород+вакан'сия равная E°+v =Ес-(0.17±0.02) эВ и энергия ионизации К=Пс-(0.1 !±0.01) зВ.

3) На основании измерений времени жизни носителей, концентрации атомов золота и расчета величин сечения захвата дырок показано, что атомы вольфрама способствуют созданию таких комплексов золота, у которых величина сечения захвата дырок меньше, чем у комплексов золота, созданных без влияния атомов вольфрама.

4) Изготовлен высокоомный, тсрмостабильный й радиационностойкнй по времени , жизни носителей и удельному сопротивлению кремний, пригодный для

использования в микроэлектронике,

Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях: , ;

' I. Воронов Ю.А., Воронкова Г.М., Зуев В.В., Расмагин С.И. Бесконтактный метод контроля параметров изделий электронной техники при импульсном лазерном воздействии в микроволновом поле. Конференция Надежность и контроль качества изделий электронной Техники. Севастополь, август 1990г.

2. Быковский Ю.А., Воронкова Г.М., Григорьев В В., Зуев В В., Кирюхин А.Д., Клышевич А.И., Расмагин С.И., Яковлев М.П. Определение рекомбинациопных параметров полупроводникового материала при лазерном воздействии в микроволновом поле Препринт 007-92, МИФИ, 1992.

3. Быковский Ю.А, Колосов К.В., Зуев В.В., Кирюхин А.Д., Расмагин С.И, Изучение рекомбинациопных параметров полупроводникового материала с помощью метода Прони. Сборник научных трудов научной сессии МИФИ-98, Москва, 4.2 Москва 1998, с.73-75.

4. Воронкова Г.М., Петровский А.И., Зуев В.В., Быковский Ю.А., Григорьев В.В., Кирюхин А.Д., Крамер-Агеев Е.А.,Трошин B.C., Расмагин С.И., Якубовский К.В. Время релаксации фотопроводимости в облученном нейтронами кремнии по

измерениям в микроволновом поле-после лазерного импульсного воздействия. Сборник научных трудов научной сессии МИФИ-99, Москва т.3,1999, с; 133*134.

5. Быковский Ю.А., Воронкова Г.М., Григорьев В.В., Зуев В.В., Кирюхин АД., Крамер-Агеев Е.А., Петровский А.Н., Расмагин С.И., Трошин B.C., Якубовский К.В. Время релаксации фотопроводимости облученного нейтронами кремния в микроволновом поле при лазерном импульсном возбуждении.. Неорганические материалы т.35, №7, 1999, с.1-7.

6. Быковский Ю.А, Колосов К.В., Зуев В В., Кирюхин А.Д., Расмагин С.И Определение рекомбинациоиных параметров полупроводникового материала < помощью метода Прони. Журнал технической физики т.69, №4, 1999, с.524-527.

7. Дмитриев: О.В., Колосов К.В., Расмагин С.И. Определение параметре! релаксационных кривых в присутствии шума. Научно-технический семина] 'Системы обработки и моделирования с и гнала" г 1999, г. Псков,

Подписано « печать /#0V. гОООЪхзлЗ?/ ■■ Тираж ЮО

Типографии МИФИ, Каширское шоссс, 31

Введение.

Глава 1. Основные сведения о состоянии вольфрама и золота в кремнии.

1.1 Влияние атомов вольфрама на свойства кремния.

1.2 Механизмы диффузии атомов золота в кремнии.

1.3 Растворимость золота в электрически активном состоянии.

1.4 Энергетические уровни атомов золота в кремнии.

Глава 2. Экспериментальная часть.

2.1 Классификация и способ приготовления образцов.

2.2 Методы измерений параметров материала.

2.3 Техническое воплощение метода СВЧ-поля.

2.4 Достоверность измеряемых величин ВРФ.

Глава 3. Электрофизические свойства кремния после вхождения примесей.

3.1 Электрофизические свойства исходного и термообра-ботанного кремния со свободной поверхностью.

3.2 Электрофизические свойства термообработанного кремния при наличии на поверхности слоя вольфрама.

3.3 Электрофизические свойства образцов кремния, прошедших диффузию золота в исходный кремний со свободной поверхностью.

3.4 Электрофизические свойства образцов кремния, прошедших диффузию золота в предварительно термообработанный кремний со свободной поверхностью.

3.5 Электрофизические свойства образцов кремния, прошедших диффузию золота предварительно термообработанный кремний с поверхностным слоем вольфрама.

3.6 Электрофизические свойства образцов кремния, прошедших диффузию золота в исходный кремний при наличии на поверхности слоя вольфрама.

Глава 4. Взаимовлияние примесей.

4.1 Анализ свойств исходного и термообработанного кремния со свободной поверхностью.

4.2 Анализ свойств термообработанного кремния при наличии на поверхности слоя вольфрама.

4.3 Анализ свойств образцов кремния, прошедших диффузию золота в исходный кремний со свободной поверхностью.

4.4 Анализ свойств образцов кремния, прошедших диффузию золота в предварительно термообработанный кремний со свободной поверхностью.

4.5 Анализ свойств образцов кремния, прошедших диффузию золота в предварительно термообработанный кремний с поверхностным слоем вольфрама.

4.6 Анализ свойств образцов кремния, прошедших диффузию золота в исходный кремний при наличии на поверхности слоя вольфрама.

4.7 Сравнительный анализ электрофизических свойств образцов кремния, принадлежащих к разным группам.

4.8 Термостабильность и радиационностойкость удельного сопротивления и времени жизни носителей в кремнии, легированном золотом и вольфрамом.

Выводы.

Актуальность проблемы.

Широкое применение полупроводниковых материалов в микроэлектронике делает необходимым тщательное исследование электрофизических свойств полупроводников. Электрофизические свойства полупроводников определяются различными дефектами, например, атомами других элементов, отличных от материала основного вещества, межузельными атомами основного полупроводникового материала, комплексами примесных атомов с вакансиями. Влияние дефектов (примесей) на электрофизические свойства особенно сильно проявляются, когда возникают соответствующие энергетические уровни в запрещенной зоне полупроводника, которые влияют на время жизни носителей заряда и на величину удельного сопротивления.

В настоящее время серьезно изучается взаимовлияние примесей в полупроводниках. Так, например, изучалось поведение меди, золота, платины, вольфрама, железа в кремнии и их взаимодействии с механическими напряжениями. Вольфрам может образовывать дефектные состояния, которые могут влиять на диффузию золота и состояния золота с этими дефектами. В микроэлектронике вольфрам начинают применять при создании больших интегральных схем. Поэтому, важно изучить влияние атомов вольфрама на электрические свойства кремния при высокотемпературных обработках. Золото как примесь в кремнии в одних ситуациях является технологически необходимой, в других оно нежелательно, так как ухудшает качество электронных приборов. Например, свойство примесных центров золота уменьшать время жизни неосновных носителей заряда и увеличивать удельное сопротивление кремния электронного типа проводимости используется в быстродействующих переключающихся приборах, в мощных высоковольтных силовых устройствах; свойство атомов золота образовывать глубокие уровни в запрещенной зоне кремния используют при создании фотоприемников в инфракрасном диапазоне излучений (2 мкм). С другой стороны, глубокие уровни, созданные атомами золота в кремнии, увеличивают токи утечки при воздействии приложенного обратного напряжения в полупроводниковых приборах. В данной работе изучали две примеси золото и вольфрам, необходимых для создания радиационностойкого и термостабильного по удельному сопротивлению и времени жизни носителей кремния, который в дальнейшем используется для изготовления p-i-n диодов. Что является актуальной научной проблемой и имеет большое практическое применение. Основные цели работы.

1) Выяснение возможности получения высокого удельного сопротивления подбором физических приемов создания кремния

2) Исследование фотопроводимости кремния, легированного золотом и вольфрамом, для определения времени жизни носителей заряда и возможности его уменьшения

3) Изучение процессов взаимодействия примесей золота и вольфрама в результате их диффузии в кремний

Практическая значимость работы.

1. Возможность получения высокоомного кремния термостабильного и радиационностойкого по времени жизни носителей и удельному сопротивлению.

2. Предложен бесконтактный неразрушающий метод для определения релаксации фотопроводимости в кремнии, прошедшим термообработку, диффузию золота в присутствии вольфрамового покрытия и без него.

3. Показана возможность использования полученного кремния для создания структур различного назначения, в частности p-i-n диодов.

Положения, выносимые на защиту. 1) Установлено, что центры, созданные атомами вольфрама в процессе термообработки, увеличивают показатель степени температурной зависимости сечения захвата электронов на донорный уровень термодефектов.

2) Обнаружена корреляция между величиной показателя степени температурной зависимости сечения захвата носителей заряда и величиной времени жизни носителей.

3) Определены бесконтактным неразрушающим методом в высокоомном компенсированном кремнии три уровня Е=Ес-(0.23±0.02) эВ, Е=Ес-(0.17±0.02) эВ,Е=Ес-(0.11±0.01)эВ

4) Показано, что атомы вольфрама способствуют созданию таких комплексов золота, у которых величина сечения захвата дырок меньше, чем у комплексов золота, созданных без влияния атомов вольфрама.

5) Установлено влияние атомов вольфрама на термостабильность и радиационностойкость по удельному сопротивлению и времени жизни носителей в кремнии.

Апробация работы.

Основные положения работы докладывались и обсуждались на конференциях «Надежность и контроль качества изделий электронной техники», г. Севастополь, « Научная сессия МИФИ-98 « и «Научная сессия МИФИ-99» г. Москва, на научно-техническом семинаре «Системы обработки и моделирование сигнала», г. Псков. Результаты, полученные в работе, использованы в отчетах 3 НИР. Публикации.

Результаты исследований опубликованы в 7 научных работах. Объем и структура диссертации.

Работа изложена на 16? страницах машинописного текста, включает 27 рисунков и 4 таблицы. Состоит из четырех глав, вывода, списка используемой литературы.

Общие выводы.

Было проведено комплексное исследование влияния вольфрамового покрытия на параметры центров рекомбинации и уровней прилипания в системах кремний-вольфрам, кремний-золото-вольфрам. В результате проведенного сравнительного анализа электрофизических свойств образцов кремния, прошедших разные высокотемпературные процессы, приходим к следующим общим выводам:

1) На основании анализа полученных экспериментальных данных обнаружен уровень,вероятно связанный с вольфрамом, с энергией ионизации Ew=Ec-(0.23± 0.02) эВ.

2) Помимо уровней, связанных с золотом и вольфрамом, определены бесконтактным (СВЧ) неразрушающим методом в высокоомном кремнии энергия ионизации комплекса кислород+вакансия равная Eo+v=Ec-(0.17+0.02) эВ и энергия ионизации Е=Ес-(0.11±0.01) эВ.

3) На основании измерений времени жизни носителей, концентрации атомов золота и расчета величин сечения захвата дырок показано, что атомы вольфрама способствуют созданию таких комплексов золота, у которых величина сечения захвата дырок меньше, чем у комплексов золота, созданных без влияния атомов вольфрама.

4) Изготовлен высокоомный, термостабильный и радиационностойкий по времени жизни носителей и удельному сопротивлению кремний, пригодный для использования в микроэлектронике.

1. Зибуц Ю.А., Парицкий Л.Г., Рыбкин С.М. Фотоэлектрические свойства кремния с примесями меди, вольфрама и платины//ФТТЛ966.Т.8.№9.С.2549-2551.

2. Fujisaki Y., Ando T.,Rozuka Y., Takano Y. Characterization of tungsten-related deep levels in bulk silicon crystal // J.Appl.Phys.l988.V.63. n7.P.2304-2306.

3. Быковский Ю.А., Зуев B.B., Кирюхин А.Д. и др. Отрицательная дифференциальная проводимость при захвате на отталкивающие центры в условиях двойной инжекции // ФТП.1972.Т.6.№12.С.2332-2334.

4. Воронкова Г.М., Зуев В.В., Кирюхин А.Д., и др. Действие вольфрамового покрытия при высокотемпературной термообработке кремния на рекомбинационные и спектральные характеристики //Неорганические Материалы. 1997.Т.6.№ 11 .С. 1285-1290.

5. Bemski G. Recombination properties of gold in silicon //Physical Review. 1958.V. 111 .п.б.Р. 1515.

6. W.C. Dash, J. Appl. Phys .,31,2275, 1960

7. V. Gosel, W. Frank, Appl. Phys., 23, 361, 1980

8. J. Struthers, J. Appl. Phys. 27, 1560, 1956

9. И. Броудай, Дж. Мерей. Физические основы микротехнологии. Москва »Мир» 1985

10. Болтакс Б.И. Диффузия и точечные дефекты в полупроводниках, Ленинград, 1972

11. Е.А. Taft, F.H. Horn, Gold as Donor in Silicon, Phys.Rev. 1954,v.93, N1, p.64.

12. J .Burton, J. Physica, 1954, 28, p.845.

13. C.B. Collins, R.O. Carlson, C.J. Gallagher, Properties of Gold-Doped Silicon, Phys. Rev., 1957, 105,p,1168.

14. W.D. Davis, Lifetimes and Captur Cross Sections in Gold-Doped Silicon, Physical Review, 1959, v.l 14, n.4

15. A.F. Tasch, С.Т. Sah, Recombination-Generation and Optical Properties of Gold Accepterin Silicon, Physical Review B, 1970, v.l, n.3

16. S. Sato, C.T. Sah, J.Applied Physics, 1970, v.41, n.10

17. O.Engstrom, H. G. Grimmeiss, Temperature dependence of gold accepter energy level in silicon, J.Applied Physics, 1974, V.25, N.7, P.413-415

18. L.C. Parillo, W.C. Johnson, J. Applied Phys. Lett., 1972, v.20, n.104

19. C.T. Sah, Т.Н. Ning, L.L. Rosier, L. Forbes, Solid State Commun., 1971, 9,917

20. S.D. Brotherton, J. Bicknell, The electron capture cross section and level of the gold acceptor center in silicon, J. Appl. Phys., 1978,49(2), P.667-671.

21. A.Kukimoto, C.H. Henry, F.R. Merritt, Phys. Rev. B, 1973, 7, 2499

22. J.A. Pals, Solid State Electronic, 1974, 17, 1139

23. S.D. Brotherton, Solid State Electronic, 1976,19, 341

24. J.M.Fairfield, B.V. Gokhale , Solid State Electronic, 1968, 8, 685

25. H.I. Ralph, J. Appl. Phys., 1978,49, 672

26. D.V. Lang, H.G.Grimmeiss, E.Meijer, M. Jaros, Complex nature of gold-related deep levels in silicon, Physical Review B, 1980, V.22, N.7, P.3917-3934.

27. C.T.Sah, C.T. Wang, J. Appl. Phys., 1975, 46, 1767

28. L.C. Kimerling, Radiation Effect in Semiconductor, 1976, London, P.221

29. L.A.Ledebo, Zhan-Guo Wang, Evidence that the gold donor and acceptor in silicon are two levels of same defect, Appl. Phys. Lett., 1983, 42(8), P.680-683.

30. Ming-fu Li, Jian-xin Chen, Yu-shu Yao, Au accepter levels in Si under pressure, J. Appl. Phys., 58(7), P.2599-2602.

31. A.Zylberztejn, R.W. Wallis, J.M. Benson, Appl. Phys. Lett., 1981, 32, 764

32. W. Jantsch, K. Wunstel, O.Kumagaai, P. Vogl, Phys. Rev. B, 25, 5515, 1982

33. X.C. Yau, G.G. Qin, S.R. Zeng, Acta Phys. Sin., 1984, 33, 377

34. Luke Su Lu, Chih-Tang Sah, Thermal emission and capture rates of holes at the gold donor level in silicon, J.Appl. Phys., 1987, 62 (12), P.4773-4780.

35. G.L. Miller, D.V. Lang, L.C. Kimberling, Annu. Rev. Matter Sci. 7, 377, 1977

36. D.Brotherton, P.Bradly, J.Appl. Phys, 1982, 53, P.1543.

37. R.H. Wu, A.R. Peaker, Solid State Elecronic, 1982, 25, P.643-649.

38. J.R. Morant, J.E. Carceller, A. Herms, Dependence of the electron cross section for the acceptor gold level in silicon on the gold to donor ratio, Appl. Phys. Lett., 1982, 41(7), P.656-658.

39. G.A. Samara, C.E. Barnes, Pressure dependence of impurity levels in semiconductors, Physical Review B, 1987, V.35, N.14, P.7575-7584.

40. S.H. Sah, L.Forbes, Solid State Elecronic, 13, 759, 1970

41. D.V. Lang, Deep-level transient spectroscopy, J.Appl. Phys., 1974, 45, P.3023-3033

42. O.Engsrom, H. G. Grimmeiss, J. Appl. Phys. 1975, 46, P.831

43. P. van Staa,R. Kassing, Solid State Commun., 1984, 50, P. 1051

44. V. Kalyanaraman, V. Kumar, Phys. Status Solidi A, 1982 ,70, P.317

45. Милне А. Примеси с глубокими уровнями в полупроводниках. Москва, Мир, 1977.

46. В.Л. Бонч Бруевич, С.Г. Калашников. Физика полупроводников. Москва Наука, 1990 г.

47. М. Lax's, Second Symposium of Simiconductors, Washington, D.C., October, 1956

48. H.G.Grimmeiss, E.Janzen, J.Appl. Phys., 1980, 5, P.3740

49. C.H. Henry, D.V. Lang, Phys. Rev. B, 1977, 15, P.989

50. В. K. Ridley, J. Phys., 1978, 11, P.2323

51. G.D. Watkins, Physica, 1983,117,P.1183

52. H.Weman, A.Henry, T.Begum, B.Monemar, Electical and optical properties of gold-doped n-type silicon, J.Appl.Phys., 1989, 65(1), P. 137-145.

53. C.T. Sah, L.Forbes, L.L Rosier, A.F. Tasch, Appl. Phys. Lett., 1969, 15, P.145

54. S. Braun, H.G. Grimmeiss, J. Appl. Phys., 1974, 45, P.2658

55. J.Utzig, W. Sehroter, Appl. Phys. Lett., 1984, 45, P.76

56. S.D. Brotherton, P. Bradley, A. Gill, E.R.Weber, J. Appl. Phys., 1984, 55, P.952

57. W.C. Dash, J. Appl. Phys., 1960, 31, P.2275133

58. V. Gosel, W. Frank, Appl. Phys., 23, 1980, P.361

59. B.B. Аристов, И.Е. Бондаренко, Физика твердого тела А, 102, С.687, 1987

60. И.Е. Покровский, Физика твердого тела А, 11, С.385, 1972

61. A. Mesli, Е. Courcell, Process-induced and accepter defects in silicon, Physical Review B, 1987, 36, N.15, P.8049-8062.

62. L.D. Yau, C.T. Sah, Solid-State Electronic, 17, 193, 1974

63. R. Kassing, L.Cohan, P. Van Staa, Appl. Phys. A, 34, 41, 1980

64. Абакумов B.H., Перель В.И., Яссиевич И.Н. Физика и техника полупроводников, 12,3, 1978

65. Абакумов В.Н., Перель В.И., Яссиевич И.Н. Захват носителей заряда на притягивающие центры в полупроводниках //Физика и техника полупроводников. 1978. Т.1 С.3-21.

66. Абакумов В.Н., Яссиевич И.Н. Захват носителей заряда на притягивающие центры в полупроводниках при оптическом облучении //Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1976. Т.71. С.657-664.

67. R.M. Fenestra, S.T.Pantelides, Phys.Rev. В 31, 4083, 1984

68. N.A. Stolwijk, J. Holzl, W. Franck, Appl. Phys. A, 39, 37, 1986

69. Хитрень М.И., Зозуля Б.И. Влияние термической обработки кремния, легированного золотом, на его параметры. ФТП, 1967, 1, С.838.

70. Болтакс Б.И., Джафаров Т.Д., Усов О.Н. Влияние распада твердого раствора золота в кремнии на инфракрасный спектр колебаний кислорода. ФТТ, 1969, 11, 4, С.889

71. Бадалов А.З., Шуман В.Б. Влияние комплексообразования на распад твердого раствора Au-Si. ФТТ, 1970, 12, 7, С.2116

72. Бадалов А.З. ФТП, 1972, 6, 789

73. Баграев Н.Т., Власенко JI.C., Лебедев А.А. Распад твердого раствора золота в кремнии. ЖТФ, 1985, 55, 11, С.2149

74. Махкамов Ш., Турсунов Н.А., Ашуров М., Маманова М., Мартынченко С.В. Исследование влияния радиационной и термической обработки на состояние центров золота в кремнии. ФТП, 1994, 28, С.2156

75. Павлов Л.П. Методы определения основных параметров полупроводниковых материалов. Москва, 1975, Высшая школа.

76. Youchi Tamura, Chihiro Hamaguchi. International Conference, Tokyo, 1986, P.655-658

77. Заварицкая B.A., Кудинов A.B., ФТП, 1984, т. 18, в. 12, С.2160-2165

78. М. Kunst, В. Beck The study of charge carrier kinetics in semiconductors by microwave conductivity measurements. J. Appl. Phys., V. 60, N.10, P.3558(1986); V.63, N.4, P.1093(1988)

79. Быковский Ю.А., Воронкова Г.М., Зуев B.B., Кирюхин А.Д., Клышевич А.И., Расмагин С.И., Яковлев М.П. Определение рекомбинационных параметров полупроводникового материала при лазерном воздействии в микроволновом поле, Препринт 007-92, МИФИ, 1992

80. Рыбкин С.М. Фотоэлектрические явления в полупроводниках, ГИФМЛ, Москва

81. Р. Смит, Полупроводники, Москва, Мир, 1972

82. Лебедев И.В., Техника и приборы СВЧ, т.1, Москва, 1970

83. Пчельников Ю.Н., Свиридов В.Т., Электроника СВЧ, М. Радио, 1970

84. Быковский Ю.А., Колосов В.В., Зуев В.В., Кирюхин А.Д., Расмагин С.И. Определение рекомбинационных параметров полупроводникового материала с помощью метода Прони. ЖТФ, т.69, вып.4, С.54-59

85. Физические величины. Справочник, Москва, Энергоатомиздат, 1991

86. Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников. Москва, Наука, 1990

87. Расмагин С.И. Определение параметров фотоответа в сложнолегированном кремнии методом СВЧ-техники. Дипломная работа, МИФИ, 1988

88. Dudeck I., Kassing R., Solid-State Electronics, 1977, 20, P. 1033135

89. Антонова И.В., Мисюк. А., Попов В.П. Исследование процесса формирования кислородных преципитатов в кремнии. ФТП.1997.Т.31.№38.С.998-1002

90. Схема приготовления образцов кремния для исследования влияния высокотемпературных процессов на основные параметры (удельное сопротивление, время релаксации фотопроводимости) в условиях свободной поверхности и при наличии на поверхности слоя вольфрама.