Введение к работе
Актуальность темы диссертации.
Переход к большим и сверхбольшим интегральным схемам, содержащим элементы с субмикронными размерами, выдвинул задачу резкого повышения структурного совершенства, однородности и чистоты базовых материалов современной микроэлектроники. Основным материалом полупроводниковой микроэлектроники по-прежнему остается кремний (на его основе выпускаются более 90% всех полупроводниковых приборов). Технология полупроводникового кремния достигла высокого уровня, и в настоящее время промышлепио выращиваются качественные бездислокациошгые монокристаллы большого диаметра. Однако проблема получения полностью бездефектных кристаллов еще далека от решения.
Реальные кристаллы, как правило, содержат различного рода микродефекты, остаточные технологические примеси (в первую очередь, кислород, углерод, водород) и их ассоциаты. В процессе изготовления полупроводниковых структур, особенно на термических операциях, в базовых кристаллах кремния дополнительно геперируются как собственные дефекты решетки, так и различные примесно-дефектные комплексы. Эти дефекты способны измегаггь, а в ряде случаев и определить свойства кристаллов и изготовленных на их основе полупроводниковых устройств. Кроме того, в современной микроэлектронике широко используются различные методы радиационной технологии. Возникающие в результате облучения вакансии и собственные междоузельные атомы кремния обладают высокой подвижностью при комнатной температуре и могут эффективно взаимодействовать как с технологическими примесями, так и с термодефектами, образуя различные комплексы. Эти комплексы, как правило, являются электрически и оптически активными, что обусловливает чрезвычайно высокую чувствительность материалов и приборов к действию радиации. И, естественно, вопросы установления природы при-месно-дефектных комплексов, а также механизмов их образования были и продолжают оставаться одашми из основных в радиационной физике кремния.
Сказанное выше обосновывает актуальность проведения систематических научных исследований влияния примесного состава и предварительных высокотемпературных термообработок на процессы радиационного дефекгообразования в кремнии.
Связь работы с крупными научными программами, темами.
Работа выполнялась в лаборатории радиационных воздействий Института физики твердого тела и полупроводшпсов Национальной Академии наук Беларуси в рамках заданий Республиканских научно-технических программ "Кристалл"(1980-1985) (НИР "Исследование влияния радиационно-термических воздействий на кристаллы кремния и р-н структуры." N гос. регистрации 01.84.0019737), "Кристалл"(1985-1989) (НИР 12А "Влияние условий облучения и отжига на свойства монокристаллов кремния и арсенида галлия" № гос. регистр. 01860 043172),
"Кристалл"(1990-1994) (НИР 2.10 А "Исследование взаимодействия радиационны и термических дефектов в кремнии, арсениде галлия и р-n структурах", № гос. ре гистр. 19942745), НИР "Структура-27" (1995-1998) (НИР "Исследование образова ния дефектно-примесных комплексов в кремнии, арсениде галлия и структурах н их основе"), проекта Фонда фундаментальных исследований Ф39-222 (1994-1996 "Разработка научных основ легирования полупроводникового кремния при темпе ратурах ниже 500 С с использованием водородной плазмы".
Целью настоящей работы являлось установление основных закономерностеі взаимодействия радиационных дефектов с термодефекгами и примесями в крем ниевых образцах, изготовленных по различной технологии.
Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи ис следования:
-
Определить эффективность образования и энергетический спектр радиацион ных дефектов в образцах п-кремния, изготовленных по различной технологи (метод Чохральского, метод зонной плавки, ядерное легирование, легировали изовалентными примесями), облученных у-квантами Со и быстрыми элек тронами.
-
Выяснить роль предварительных термообработок в последующем изменениі электрических свойств облученных кристаллов n-Si.
-
Исследовать влияние примесных атомов водорода на процессы образования і отжига радиационных дефектов в кремнии п-типа.
Объекты исследований: промышленный бездислокационный, выращенньн методом зонной плавки (БКЭФ) и выращенный по методу Чохральского (КЭФ кремний п-типа, легированный фосфором (NP = 2-Ю13—6-Ю15 см"3); ядерно-легированный (ЯЛ-Si), легированный изовалентными примесями германш (Si
Методы выполненных исследований. Облучение кремниевых образцов элек тронами проводилось на линейном ускорителе электронов ЭЛУ-4. Энергия элек тронов Е = 4 МэВ. Интенсивность электронного пучка 1= 2-Ю12 эл/см^с. Темпера тура образцов при облучении выбиралась в интервалах 78-300 К. Облучение ис следуемых образцов гамма-квантами 60Со проводилось на установи "Исследователь" при температурах 313-353 К.
Для исследования электрофизических свойств кристаллов кремния исполь зовался метод эффекта Холла. Этот метод позволял определять концентрацию носителей заряда в кристаллах Si при различных температурах в области 78-300 К Определение концентрации и положения энергетических уровней дефектов осуще ствлялось с помощью решения уравнеїшя элекгронеитральности и использованш дифференциального метода Хоффмана.
Научная новизна и значимость полученных результатов
-
Показано, что примесные атомы О, С и Р являются основными центрами захвата первичных радиационных дефектов (вакансий и междоузельных атомов) в кристаллах E-Si, полученных различными методами. Эффективность образования и энергетический спектр вторичных радиационных дефектов определяются соотношением концешраций данных примесей в исходных кристаллах и температурой облучения.
-
Выяснены особенности отжига Е-цептров (P-V) в кристаллах Si с различным содержанием технологических примесей Р, О, С. Установлено, что в кислородосо-держащих образцах Si (N0 й 1016 см-3), полученного методом зонной плавки, доминирующим механизмом отжига является диссоциация комплекса на Р и У(вакансий) с последующим дообразованием А-центров (V-О). В кристаллах кремния с повышенным содержанием фосфора (Np~1015 см-3) обнаружена дополнительная стадия отжига Е-цептров (при Т ~ 100 С), связанная с образованием и отжигом комплекса С,—P-V.
-
Методом эффекта Холла определено положение акцепторных уровней дивакан-сии в кремния. Показано, что уровень Ew(=/-) расположен у Ес-0,21 эВ.
-
Показано, что высокотемпературные обработки кристаллов кремния приводят к активации быстродиффундирующих примесей. Последующее взаимодействие этих примесей с радиационными дефектами существенно изменяет характер отжига последних.
-
Впервые обнаружен электрически активный амфотерный центр с уровнем Ес-0,075 эВ, являющийся дефектом с отрицательной корреляционной энергией; показано, что в состав центра входят атомы водорода и кислородосодержащий радиационный дефект.
Практическая значимость полученных результатов.
Полученные данные об эффективности введения основных радиационных дефектов (РД), устойчивых в области комнатных температур, и о скоростях генерации вакансий и междоузельных атомов в кремнии, легированном германием (Si
Изучены свойства промышленных кристаллов кремния, полученных методом Чохральского и зонной плавки, после предварительных термообработок (ПТО) при температурах 500-1200 С. Термообработки в этом интервале температур используются в производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Установленные особенности отжига (трансформации) РД в кристаллах, прошедших ПТО, в том числе в атмосфере Нг, могут найти применение в радиационной технологии полупроводниковых материалов и приборов. Кроме того, эти особенности могут служить индикатором чистоты высокотемпературных технологических процессов.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
-
В кристаллах кремния n-типа, независимо от метода их получения основным! центрами захвата первичных радиационных дефектов (вакансий и междоузель ных атомов) являются примесные атомы О, С и Р. Эффективность образования і энергетический спектр вторичных радиационных дефектов определяются содержанием данных примесей в исходных кристаллах и температурой облучения.
-
Предварительные высокотемпературные обработки кристаллов кремния существенно снижают термическую устойчивость основных радиационных дефектов что обусловлено активацией быстродиффундирующих примесей и последующим их взаимодействием с радиационными дефектами.
-
Экспериментально установленные закономерности взаимодействия атомарного водорода с радиационными дефектами в кристаллах Si; механизм образования и свойства водородосодержащего дефекта с отрицательной корреляционной энергией.
Личный вклад соискателя заключается в непосредственном выполнении экспериментальных исследований. Постановка задачи, а также анализ и интерпретация полученных данных выполнены совместно с научными руководителями. Проведение экспериментов по облучению кремния быстрыми частицами и насыщению атомарным водородом выполнено совмесщо с соавторами по приведенным публикациям.
Апробация результатов диссертации.
Результаты диссертационной работы обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Межвузовской конференции молодых ученых "Наука и её роль в ускорении научно-технического прогресса" (Воронеж, 1987), 13-ом Республиканском семинаре по проблеме "Радиационная физика полупроводников" (Киев, 1987), Всесоюзной конференции "Радиационная физика полупроводников и родственных материалов" (Ташкент,! 984), научно-технической конференции "Перспективные материалы твердотельной электроники. Твердотельные преобразователи в автоматике и робототехнике (Минск, 1991), Международной конференции "Наука и технология контроля дефектов в полупроводниках" (Иокогама, 1989), Международной конференции по радиационному материаловедению (Алушта, 1990), 35-ом Международном коллоквиуме (Ильменау, 1990), 5-ой Международной конференции по идентификации дефектов в полупроводниках (Сантандер, 1993), 18-ой Межународной конференции по дефектам в полупроводниках (Сендай, 1995), Международной конференции "Ранние стадии преципитации кислорода в кремнии" (Эксетер, 1996).
Опубликованность результатов. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 7 статьях, 5 докладах на конференциях и 10 тезисах докладов, общее количество страниц опубликованных материалов равно 72.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и списка литературы. Работа изложена на 136 страницах, включая 30 рисунков, 4 таблицы и список литературы из 207 наименований.
