Введение к работе
Актуальность теми. Монокристаллический кремний является сегодня основным материалом твердотельной электроники. Основные электрические, оптические, термические и другие свойства приборов, изготовленных на основе кремния, определяются структурными несовершенствами его кристаллической решетки, которые могут быть созданы посредством радиационного воздействия.
К настоящему времени установлено, что большинство экспериментально наблюдаемых радиационных дефектов в кремнии представляет собой комплексы первичных радиационных дефектов - вакансий (V ) и собственных межузельных атомов ( I ) - с атомами приме-сейі находящихся в кристалле. Именно эти комплексы определяют важнейшие электрофизические свойства кристалла. Среди примесеїі, входящих в стабильныо радиационные дефекты в кремнии,выращенной по методу Чоэсральского(Са-«Зч"),основную роль играют электрически неактивные фоновые примеси, такие как углерод и кислород. Несмотря на значительный объем имеющихся экспериментальных данных,ряд важных особенностей взаимодействия этих примесей с собственными дефектами в кремнии остается недостаточно исследованным. Б частности, это касается влияния условий облучения на процессы дефек-гообразования. Облучение высокоэнергетическими частицами, наряду с созданием первичных радиационных дефектов, генерирует неравновесные носители заряда, концентрация которых определяется условиями оолучоння (интенсквііосїі.ю и энергией). В свою очередь, концентрация неравновесных носителей заряда определяет зарядовио зостопния радиационных дефектов и темп перезарядок, а, следовательно, скорость радіїаціюнко-стимулирокініюи миграции зарп/.^н-
-4--ных дефектов и эффективность комплексообразования с участием примесных атомов.
В-последнее время значительно усилился интерес к изовалент-ному легированию кремния с целью оптимизации его свойств. Такая изовалентная примесь, как германий, будучи олектрически неактивной, обладает практически неограниченной растворимостью в кремнии и может существенно влиять на процессы дефектно-примесного взаимодействия. Детальные исследования таких процессов необходимы с целью получения сведений о роли дефектов структуры (деформации кристаллической решетки, микроструктура и энергетический спектр) в изменении свойств кристалла.
Актуальность решения рассмотренных задач обусловлена как необходимостью получения информации о влиянии примесей на процессы радиационного изменения электрофизических свойств кристаллов кремния, так и практически потребностью в оптимизации условий облучения и повышения стабильности материала.
Цель работы заключалась в решении следующих задач.
-
Исследование влияния энергии бомбардирующих электронов на процессы аннигиляции и разделения пар Френкеля в кремнии.
-
Изучение зависимости эффективности введения примесно-де^ектпых комплексов в С*-pi от условий электронного облученш (энергия, интенсивность). Выяснение роли электрических неактив-пых фоновых примесей в механизме таких зависимостей и формирование соответствующих модельных представлений.
3. Исследование особенностей образования дивакансий в
Ct-pl при различных условиях облучения.
k. Выяснение особенностей взаимодействия изовалентной при-
- 5 -меси германия с радиационными дефектами в кремнии.
5. Разработка иеразрушающего метода экспресс-контроля ра-. диационных дефектов в сильнокомпенсированных полупроводниках, электрические измерения которых представляют значительные трудности.
Научная новизна
-
Обоснован и разработан неразрушающий емкостной метод контроля глубоких центров в сильнокомпенсированных полупроводниках, который был применен для исследования радиационных дефектов в кремнии.
-
Установлено, что для Oz-pl всегда существует диапазон интенсивности облучения электронами с энергиями 1+7 Мэй, в которой эффективность образования кислородосодержащих комплексов (А-, К-центры) зависит от интенсивности.
-
Показано, что эффективность введения дивакансий в CjS.-jH зависит ст энергии бомбардирующих электронов в диапазоне 3+7 ИэВ и не зависит от интенсивности облучения, что говорит о доминирующей роли механизма первичной генерации в образовании дивакансий.
-
Установлено, что эффективный "выход" первичных радиационных дефектов (т.е. отношение числа разделившихся- пар Френкеля к их общему количеству) в п- ні(Сі) не увеличивается с ростом энергии бомбардирующих электронов от I до 7 МэВ. Показано, что в этом случае радиус аннигиляции пары Френкеля существенно превышает среднее расстояние ыезду ее компонентами.
-
Обнаружено, что образующиеся при низкотемпературной (78 К) гамма-облучении п-кремния, легированного прі'.месьп гер-
- б -
ианин, комплексы GeVJ обладают только одним акцепторный состоянием. Их свойства и поведение определяются неоднородностью упругих напряжении в кристалле п- pi
-
Полученные результаты по влиянию условий электронного облучения (энергия, интенсивность) на эффективность образования различных дефектов в крешши могут быть использованы в научных исследованиях и разработках методов радиационной технологии, а также при прогнозировании скорости дефектообразования и оптимизации тока элоктронного пучка.
-
Данные исследований взаимодействия примеси с собственными дефектами в pi могут найти применение в технологии изо-валентного легирования с целью повышения радиационной стабильности кремниевых кристаллов и приборов на их основе.
-
Разработанный метод определения параметров глубоких центров в скльнокомпенсированных полупроводниках моает быть широко использоьан для неразрушаюцего экспресс-контроля радиационных дефектов и компенсируют: примесей, в том числе и в промышленных условиях.
Положения, взносимые на зацкту;
I. Разработанный неразрушащнй метод контроля глубоких центров в спльнокомпенсированных полупроводниках, основанный на измерении 'іемпс^атурнюс зависимостей емкости и активной проводи-
joctii при фиксированной частоте тестового сигнала, обладает рп-!\ои преимуществ по сравнению с ранее известными методиками: экслрессность, возможность определения концентрации глубоких іентров наряду с их энергетическим уровнен, отсутствие специ-1ЛЫШХ контактов. Метод может приценяться для исследования ра-піациошшх дефектов в полупроводниках, сильнокомленсировашшх эб лучением.
2. Для Сг-і, облученного электронами с энергиями 1+7ЫэВ,
всегда существует диапазон значений интенсивности облучения,
(которой эффективность введения кислородосодержащих комплексов іавнсит от интенсивности. При этой скорость образования Л-цент-юв і п- pl уменьшается, а скорость образования К-центров в у- pi увеличивается с ростом интенсивности в соответствующей діапазоне. Такие зависиыости объясняются моделью, основанной на іадиационно-стимулированном взаимодействии моиузелышх атомов тлерода с дефектами вакансионного типа и атомами кислорода.
3. Доминирующую роль в образовании дивакансий при облучении
Св-$1 электронаии с энергиями 3*7 !ЬВ играет процесс первичной
'операции, что подтверждается экспериментальный фактом зависи-
ости скорости образования дивакансий от энергии электронов и ее
независимости от интенсивности облучения.
* Ц, При облучении п- pt (pi) электронами с энергиями 1*7 !.!эВ адиус аннигиляции пары Френкеля существенно превышает среднее асстоянио между ее компонентами. На это указывает рассчитанный, сходя из максимальних значенні! скорости образования л-центроь, флективный выход первичных.радиационных де^окгов (дол,: раоА.'— liiiuiixcH пир Френкеля), который не увеличивается с рости:.! ;піи;.'-
- 8 -гии бомбардирующих электронов от I до 7 МэВ.
5. При низкотемпературном (78 К) гаїша-облучении п-креиния,
легированного изовалентной примесью германия, образуются комп
лексы [GeVj, обладающие одним акцепторным состоянием. Энерге
тические уровни этих комплексов распределены в полосе F -
- (0,1Й6 + 0,080) эВ. Кинетика и температура отжига комплексов CGeV] зависят от концентрации (де в кристаллах п- >i
6. Кинетика образования и отжига комплексов
также принадлежащий им спектр энергетических состояний обусловлены образованием в кристалле кремния примесных германиевых кластеров различного размера и вызванной этим неоднородностью упругих напряжений.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной конференции по низкотемпературным процессам в электронике (г. Ижевск, 1990 г.), на Всесоюзном семинаре по моделированию дефектов в твердых телах (г.Одесса, 1990 г.), на Всесоюзном совещании "Кремиий-90" (г. Москва,1990г.)
и научных семинарах лаборатории локальных состояний в легированных полупроводниках ФТИ им. А.Ф.Иоффе АН СССР, кафедры -физики и химии твердого тела МИТХТ им. Ы.В.Ломоносова и кафедры физики диэлектриков и полимеров ЛГТУ.
Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 7 работах, перечисленных в конце автореферата.
- 9 -дения, пяти глав, Заключения и списка цитируемой литературы из 167 наименований. Всего IS8 стр., вклычия 31 рисунок и б таблиц
