Дефектно-домішкова взаємодія в кремнії, легованому ізовалентними домішками

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ

Кобзар Олег Олександрович

УДК 621.315.592

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

ДЕФЕКТНО-ДОМІШКОВА ВЗАЄМОДІЯ В КРЕМНІЇ, ЛЕГОВАНОМУ ІЗОВАЛЕНТНИМИ ДОМІШКАМИ

01.04.07 - фізика твердого тіла

Київ - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті фізики НАН України.

Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Хируненко Людмила Іванівна, старший науковий співробітник Інституту фізики НАН України.

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор Романюк Борис Миколайович, провідний науковий співробітник Інституту фізики напівпровідників НАН України;

кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Долголенко Олександр Петрович, старший науковий співробітник НЦ “Інститут ядерних досліджень” НАН України.

Провідна організація: Київський Національний Університет імені Т. Г. Шевченка.

Захист дисертації відбудеться 22 лютого 2007 р. о 14 год. 30 хв. на засіданні спеціалізованої Вченої ради Д 26.159.01 при Інституті фізики НАН України (адреса: 03028, Київ-28, проспект Науки, 46).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту фізики НАН України.

Автореферат розісланий 22 січня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Чумак О.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Кремній (Si) є основним матеріалом сучасної твердотільної мікроелектроніки. У зв'язку з цим важливою задачею є пошук нових і вдосконалення існуючих методів керування властивостями кремнію. Властивості напівпровідника, як відомо, визначаються його дефектно-домішковим складом. Одним із перспективних засобів керування параметрами кремнію є легування ізовалентними домішками (ІВД). Ізовалентними домішками в кремнії є вуглець (C), германій (Ge), олово (Sn) та свинець (Pb). Такі домішки є електрично пасивними і практично не впливають на вихідні електричні параметри матеріалу. Вплив ІВД на властивості Si визначається в основному внутрішніми пружними деформаціями ґратки, які виникають внаслідок різниці ковалентних радіусів атомів матриці та домішки. Внутрішні локальні деформації можуть суттєво впливати на процеси дефектно-домішкової взаємодії як при вирощуванні кристалу, так і при різноманітних зовнішніх впливах (іонізуючі опромінення, термообробки та ін.). В полі пружних деформацій може відбуватись зміна процесів дифузії домішок і дефектів, крім того, атоми ІВД можуть безпосередньо взаємодіяти з точковими дефектами, цим самим змінюючи канали дефектно-домішкової взаємодії.

Як правило, ІВД, ковалентний радіус яких менший за ковалентний радіус атомів ґратки (наприклад, C в Si або Si в Ge), взаємодіють з міжвузельними атомами, а ІВД, ковалентний радіус яких більший за радіус атомів ґратки (Ge або Sn в Si, Sn в Ge), впливають на реакції, які протікають за участю вакансій. Так, ефективна взаємодія олова та германію в кремнії з вакансіями приводить до зниження ефективності утворення при опроміненні радіаційних дефектів, які містять вакансії. Вуглець в кремнії бере участь в утворенні дефектів міжвузельного типу. Таким чином, легування ізовалентними домішками зручно використовувати в якості одного з методів керування властивостями Si, які визначаються власними дефектами кристалічної структури.

Використання ІВД для легування напівпровідників є також зручним засобом для дослідження процесів, які відбуваються за участю вакансій або міжвузельних атомів. Наприклад, завдяки здатності домішкових атомів Sn в Si утримувати вакансії у зв'язаному стані в діапазоні температур до 170 С, легування кремнію оловом може використовуватись для вивчення властивостей широкого спектру дефектів, до складу яких входять вакансії. А використовуючи домішку вуглецю в Si, як правило, вивчають процеси, які відбуваються за участю міжвузельних атомів.

Незважаючи на значний інтерес до ІВД протягом досить тривалого часу, їх вплив на процеси дефектно-домішкової взаємодії в кремнії вивчений недостатньо. Так, встановлено, як зазначалось вище, що Sn та Ge в Si істотно впливають на утворення дефектів, які містять вакансії, але майже не досліджено вплив цих ІВД на процеси, що відбуваються за участю міжвузельних дефектів. Детально не досліджено реакції дефектоутворення при наявності в Si одночасно двох ІВД, які створюють в кристалічній ґратці пружні поля протилежних знаків, наприклад, олова та вуглецю. Такі дослідження крім наукового значення мають також і прикладний характер, оскільки вуглець є технологічною домішкою і завжди присутній в монокристалічному Si, вирощеному за методом Чохральського. Недостатньо досліджено вплив ІВД Sn на утворення радіаційних дефектів, до складу яких входять вакансії й міжвузельні атоми кисню, який також є технологічною домішкою в Si. Зазначені вище обставини зумовили мету дослідження та конкретні напрямки її реалізації в даній роботі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась у відділі фізики радіаційних процесів Інституту фізики НАН України у відповідності з планами наукової діяльності відділу в рамках бюджетних тем НАН України:

· 1.4.1. В/63 (2000 - 2002), № держреєстрації 0100U003478 “Дослідження впливу ізовалентних домішок на процеси утворення та відпалу радіаційних і термічних комплексів в кремнії”.

· 1.4.1. В/101 (2003 - 2005), № держреєстрації 0103U005982 “Дослідження радіаційних та термічних ефектів в мікронеоднорідних кристалах кремнію, арсеніду галію, нітриду галію та структурах наноелектроніки на їх основі”.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи було дослідження процесів дефектно-домішкової взаємодії, які відбуваються під дією радіаційного опромінення та подальших термообробок в монокристалічному кремнії, легованому домішками олова та вуглецю.

Основні завдання досліджень:

1. Дослідження особливостей дефектоутворення в Si внаслідок дії опромінення швидкими електронами за наявності ІВД олова та вуглецю, які створюють локальні деформації протилежного знаку.

2. Дослідження впливу ІВД Sn на процеси термічної трансформації радіаційних дефектів в Si:Sn в широкому діапазоні концентрацій олова.

3. Описання процесів радіаційного дефектоутворення в кристалах Si:Sn в наближенні квазіхімічних реакцій.

4. Дослідження впливу ІВД Sn на швидкість радіаційної деградації кремнію.

Об'єктом досліджень були монокристали кремнію n-типу, вирощені за методом Чохральського і леговані ізовалентними домішками Sn та C.

Предметом досліджень були процеси дефектно-домішкової взаємодії в кремнії, легованому ІВД, які мають місце в умовах опромінення швидкими електронами та при подальших термообробках.

Методи досліджень:

· ІЧ Фур'є-спектроскопія високої роздільної здатності використовувалась для дослідження спектрів поглинання радіаційних дефектів при температурах 10 - 300 К.

· Дослідження ефекту Хола використовувалось для визначення рухливості та концентрації основних носіїв заряду та швидкості деградації цих параметрів при опроміненні.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Встановлено, що домішкові атоми Sn в кремнії ефективно взаємодіють з міжвузельним вуглецем, в результаті чого утворюються центри “міжвузельний вуглець + олово” (C_ISn_S).

2. Експериментально показано, що центри C_ISn_S можуть існувати у двох різних структурних конфігураціях.

3. Встановлено, що центри “вакансія + кисень” (VO) в Si:Sn в процесі дифузії при відпалі ефективно взаємодіють з атомами Sn з утворенням нового центру “олово + вакансія + кисень” (SnVO).

4. Процеси радіаційного дефектоутворення в Si:Sn описано в наближенні квазіхімічних реакцій, отримано вирази для залежності концентрацій виявлених радіаційних дефектів від вмісту олова.

5. Показано, що в кремнії n-типу легування оловом призводить до зменшення радіаційної стійкості, тоді як в кремнії p-типу наявність домішки Sn може призводити до її підвищення.

Підтвердженням достовірності одержаних результатів є їх відтворюваність у різних зразках за аналогічних умов експерименту, а також якісне узгодження експериментальних і теоретичних результатів.

Наукове і практичне значення одержаних результатів. В Si:Sn виявлено нові канали радіаційного дефектоутворення та нові дефекти, до складу яких входять атоми Sn. Представлені результати досліджень сприяють розширенню й поглибленню знань про вплив ІВД на процеси дефектно-домішкової взаємодії в кремнії.

Крім наукового значення отримані результати можуть знайти практичне застосування в технології виробництва напівпровідникових приладів. Так, при певних температурах ІВД Sn в Si може використовуватись для керування спектром як радіаційних дефектів, до складу яких входять вакансії, так і дефектів, до складу яких входять міжвузля. Це можна використати для впливу на дифузію домішок, яка відбувається як за вакансійним, так і за міжвузельним механізмами. Результати досліджень також можуть використовуватись для прогнозування зміни параметрів кремнію, легованого ІВД, та мікроелектронних приладів на його основі при експлуатації в умовах з підвищеним рівнем іонізуючого випромінювання.

Особистий внесок здобувача в одержання наукових результатів полягає у підготовці зразків, виконанні експериментальних вимірювань, обробці та аналізі отриманих результатів. Автор провів описання процесів дефектоутворення, які експериментально спостерігаються, в наближенні квазіхімічних реакцій, визначив енергії активації відпалу нових дефектів, провів вимірювання швидкості радіаційної деградації кристалів Si:Sn. Автор брав участь в обговоренні й інтерпретації отриманих результатів, у підготовці наукових статей та доповідей.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційного дослідження доповідались на наукових семінарах відділу, на підсумковій конференції ІФ НАН України (2003 р.), а також на чотирьох міжнародних конференціях:

1. The 10-th International Conference on Shallow-Level Centers in Semiconductors (SLCS-10). July 24 - 27, 2002, Warsaw, Poland.

2. 3-я Российская конференция по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе (Кремний-2003). 26 - 30 мая, 2003, Москва, Россия.

3. The 22-nd International Conference on Defects in Semiconductors (ICDS-22). July 28 - August 1, 2003, Aarhus, Denmark.

4. Gettering and Defect Engineering in Semiconductor Technology (GADEST 2003). September 21 - 26, 2003, Zeuthen, Germany.

Публікації. За результатами проведених досліджень опубліковано вісім робіт, а саме: п'ять статей у провідних фахових журналах, три - в тезах матеріалів наукових конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків і списку використаних джерел. Вона викладена на 135 сторінках, містить 44 рисунки та 6 таблиць. Список використаних літературних джерел має 135 посилань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі зроблено огляд літературних даних про вплив ізовалентних домішок на властивості кремнію. Зокрема, розглянуто вплив ІВД на зонну структуру, електричні, оптичні та об'ємні властивості Si. Домінуючим механізмом впливу ІВД на властивості напівпровідників, згідно [1, 2], є локальна деформація кристалічної ґратки, що виникає внаслідок відмінності ковалентних радіусів атомів матриці та ІВД.

Значна увага приділена впливу ІВД на утворення радіаційних дефектів (РД) у кремнії під дією іонізуючого опромінення та на процеси їх подальшої термічної трансформації. Ізовалентні домішки в Si ефективно взаємодіють з власними точковими дефектами. Характер цієї взаємодії залежить, головним чином, від знаку деформацій, створених атомами ІВД у кристалі. Так, домішки Ge та Sn в Si, ковалентний радіус яких більший за радіус атомів матриці, створюють деформації розтягу, тому ефективно взаємодіють з вакансіями. Це призводить до утворення центрів GeV [3] та SnV [4]. Атоми C в Si, радіус яких менший за радіус атомів матриці, створюють деформації стиску, тому взаємодіють з власними міжвузлями кремнію (I) і при цьому, згідно з механізмом Воткінса [5], виштовхуються ними ж в міжвузельне положення I + C_S Si_S + C_I, впливаючи таким чином на канал реакцій з участю міжвузельних атомів. дефектоутворення кремній ізовалентний олово

У другому розділі описано основні експериментальні методики, які використовувались для дослідження процесів радіаційного дефектоутворення та наведено параметри зразків.

Для дослідження спектрів поглинання зразків використовувався Фур'є-спектрометр IFS-113v. Дослідження проводилось в інтервалі температур 10 - 300 К з роздільною здатністю 0.5 - 2 см-¹. Концентрація та рухливість носіїв заряду в зразках визначались за результатами вимірювань ефекту Хола за методом Ван дер Пау.

В дослідженні використовувались монокристалічні зразки Si та Si:Sn n-типу (леговані фосфором), вирощені за методом Чохральського. Концентрація олова в Si:Sn була від 210¹⁸ до 1.810¹⁹ см-³. Концентрація кисню була (5 - 7)10¹⁷ см-³, вуглецю - від 2.610¹⁶ до 2.710¹⁷ см-³.

Зразки опромінювались швидкими електронами з енергією 5 МеВ на мікротроні М-30 (для оптичних досліджень) та з енергією 1 МеВ на лінійному прискорювачі “Аргус” (для електричних досліджень) при температурі 90 або 300 К. Доза опромінення змінювалась від 10¹⁵ до 10¹⁸ см-².

Для дослідження термічної трансформації РД проводився ізохронний відпал опромінених кристалів у спеціальних автоматизованих печах в діапазоні температур від 90 до 760 К.

У третьому розділі наведено результати дослідження процесів дефектно-домішкової взаємодії, які відбуваються в кристалах Si:Sn за участю міжвузельного вуглецю (C_I). Даний центр відпалюється поблизу кімнатної температури шляхом дифузії з наступним захопленням його на стоки. В кремнії, вирощеному за методом Чохральського, домінуючими стоками для C_I є міжвузельний кисень (O_I) та вузловий вуглець (C_S), при взаємодії з якими утворюються центри C_IO_I та C_IC_S у відповідності з реакціями: C_I + O_I C_IO_I, C_I + C_S C_IC_S.

В ході дослідження було встановлено, що легування кремнію оловом призводить до появи ряду особливостей у відпалі С_І. По-перше, виявилось, що в Si:Sn центр С_І є менш термічно стабільним, ніж в Si. Так, при зростанні вмісту Sn від 210¹⁸ до 1.810¹⁹ см-³ температура відпалу С_І поступово знижується більше ніж на 25 К порівняно з Si.

По-друге, виявлено, що ІВД Sn суттєво впливає на канали утворення дефектів, до складу яких входить С_І. Вихідний спектр поглинання C_I в Si:Sn ідентичний спектру даного центру в Si. Дослідження процесу від палу C_I в Si:Sn показали, що на відміну від Si лінії поглинання центрів C_IO_I та C_IC_S в межах чутливості методики не реєструються. Замість них спостерігається поява шістьох ліній з частотами 873.5, 888.9, 985.3, 1025.3, 6875 та 6915 см-¹. Група ліній з частотами 888.9, 985.3 та 6915 см-¹ була виявлена вперше, а група ліній з частотами 873.5, 1025.3 та 6875 см-¹ спостерігалась раніше [6].

Дослідження термічної трансформації спектрів поглинання Si:Sn показали, що при ізохронному відпалі поведінка виявлених груп ліній 888.9, 985.3 і 6915 см-¹ (ДЛ-1), та 873.5, 1025.3 і 6875 см-¹ (ДЛ-2), є ідентичною, що свідчить про належність кожної з них одному центру.

Слід зазначити, що як у групі ДЛ-1, так і в групі ДЛ-2 дві низькочастотні лінії лежать в області спектру, характерній для коливальних мод, а високочастотна - в області, характерній для електронних переходів, аналогічно тому, що має місце для спектру C_I. Це може свідчити про аналогічну структуру виявленого дефекту. Дослідження зразків з різним вмістом Sn і C показало, що інтенсивності ліній ДЛ-1 і ДЛ-2 зростають як при збільшенні концентрації Sn, так і при збільшенні концентрації C.

Отримані експериментальні результати свідчать, що центрами, відповідальними за лінії поглинання ДЛ-1 та ДЛ-2, є міжвузельні атоми вуглецю (С_І), локалізовані поблизу вузлових атомів олова (Sn_S). Утворення таких центрів описується реакцією

C_I + Sn_S C_ISn_S.

Існування двох груп ліній поглинання, пов'язаних з центрами C_ISn_S, в даній роботі пояснюється існуванням двох структурних конфігурацій таких центрів, які мають різну термічну стабільність. Раніше можливість існування різних конфігурацій центру була передбачена теоретично [7]. Отримані в роботі експериментальні дані свідчать, що, дійсно, центр C_ISn_S може існувати в різних конфігураціях. Виявлені нові лінії поглинання ДЛ-1 пов'язуються з менш термічно стабільною конфігурацією дефекту C_ISn_S (a), передбаченою в [7].

Дослідження показали, що виявлена менш термічно стабільна конфігурація C_ISn_S (a) при відпалі трансформується в більш термічно стабільну C_ISn_S (b). При цьому не спостерігається утворення інших центрів, до складу яких входили б C_I. Ці результати свідчать, що відпал відбувається шляхом зміни структурної конфігурації центру.

У роботі оцінено енергію активації відпалу Е_а для двох експериментально зареєстрованих конфігурацій центрів C_ISn_S за кривими ізохронного відпалу ліній ДЛ-1 і ДЛ-2. Для конфігурації C_ISn_S (a) отримано значення Е_а = (0.8 0.05) еВ, а для конфігурації C_ISn_S (b) - Е_а = (1.15 0.05) еВ.

З врахуванням отриманих значень енергії активації відпалу змодельовано енергетичну структуру комплексів C_ISn_S. Висота бар'єру між точками a і c точно невідома. Цей бар'єр має бути вищим за бар'єр між точками a і b, оскільки, згідно з експериментальними даними, відпал конфігурації C_ISn_S (a) відбувається переважно шляхом трансформації в C_ISn_S (b).

Дослідження показали, що центри C_ISn_S (b) відпалюються в області температур 320 - 380 К. При цьому спостерігається синхронна поява центрів C_IO_I та C_IC_S, характерних для Si. Це свідчить про те, що центри C_ISn_S (b) відпалюються шляхом дисоціації з вивільненням C_I, взаємодія якого з O_I та C_S призводить до утворення відповідних центрів.

Отримані дані дали можливість провести кількісну оцінку співвідношення ефективностей захоплення атомів С_І під час їх дифузії домішками Sn_S (), O_I () та C_S (). Для цього було складено кінетичне рівняння для відпалу C_I з урахуванням всіх можливих стоків. З розв'язку рівняння з урахуванням темперної залежності ефективностей захоплення та залежності температури відпалу С_І від N_Sn було отримано наступне співвідношення:

.(1)

Процеси дефектоутворення, які відбуваються при відпалі C_I в Si:Sn, описано в наближенні квазіхімічних реакцій. Складено систему кінетичних рівнянь, з розв'язків якої отримано вирази для концентрацій центрів, що утворюються при відпалі С_І в Si:Sn:

, (2)

, (3)

, (4)

де N_i - концентрації дефектів,

_{i, j} - ймовірності реакцій.

У четвертому розділі дослідженню процеси дефектоутворення, що протікають в Si:Sn за участю вакансій та міжвузельного кисню. Важливими дефектами в кремнії, вирощеному за методом Чохральського, є комплекси “вакансія + кисень” (VO). Центри VO відпалюються в області температур 570 - 620 К шляхом дифузії. В Si основним стоком для VO під час їх дифузії є атоми кисню, при взаємодії з якими утворюються центри VO₂ (яким відповідає лінія поглинання 889 см-¹) згідно реакції VO + O VO₂.

В ході досліджень виявлено, що в Si:Sn ефективність утворення центрів VO₂ при відпалі VO є значно нижчою, ніж в Si. При N_Sn 6·10¹⁸ см-³ утворення VO₂ в межах чутливості експерименту взагалі не було зареєстровано. Також виявлено, що одночасно зі зниженням ефективності утворення VO₂ у спектрах Si:Sn спостерігається поява нової лінії поглинання з частотою 807 см-¹, яка не спостерігається в Si. Видно, що при збільшенні N_Sn ефективність утворення центрів, яким належить лінія поглинання 807 см-¹, зростає.

З отриманих експериментальних даних було зроблено висновок, що дефектами, яким відповідає лінія 807 см-¹, є центри VO, локалізовані поблизу атомів Sn. Їх утворення може бути представлене у вигляді реакції

VO + Sn SnVO.

Виявлено, що відпал центрів SnVO відбувається в інтервалі температур 720 - 740 К. При цьому спостерігається деяке зростання концентрації центрів VO₂, відпал яких має місце майже одночасно з SnVO. Це дозволяє зробити висновок, що комплекси SnVO при відпалі дисоціюють. За результатами ізохронного відпалу лінії поглинання 807 см-¹ зроблено оцінку енергії активації відпалу центрів SnVO. Отримано значення Е_а = (2.45 0.05) еВ.

Було запропоновано модель атомної структури комплексу SnVO, згідно якої SnVO являє собою центр VO, в якому один із суміжних з вакансією атомів Si заміщено атомом Sn.

Процеси радіаційного дефектоутворення, які відбуваються в Si:Sn за участю вакансій, описано в наближенні квазіхімічних реакцій. Запропоновано систему кінетичних рівнянь, де враховано всі можливі реакції за участю вакансій як при опроміненні, так і при відпалі. В результаті розв'язку цієї системи отримано вирази для концентрацій основних дефектів, що утворюються в Si:Sn при опроміненні:

,(5)

, (6)

,(7)

, (8)

де t - час опромінення.

Для концентрацій дефектів, які утворюються при відпалі VO, знайдено:

, (9)

. (10)

У п'ятому розділі досліджено вплив домішки Sn на радіаційну деградацію електрофізичних параметрів Si. Розглянуто енергетичний спектр радіаційних дефектів, які утворюються в Si та Si:Sn при опроміненні в області температур 290 - 320 К, яка є робочою для більшості напівпровідникових приладів. При зазначених температурах властивості Si визначаються дефектами VO, V₂, C_IO_I та C_IC_S, а основними дефектами в Si:Sn є SnV, SnV₂, V₂ та C_ISn_S. Проаналізовано вплив перелічених РД на рекомбінаційні параметри та видалення основних носіїв заряду (ОНЗ) в матеріалі n- та p-типу. Для оцінки впливу радіаційних дефектів на рекомбінаційні параметри враховувались їх концентрація та переріз захоплення носіїв заряду, а на видалення ОНЗ - концентрація, положення енергетичних рівнів дефектів та рівня Фермі.

Показано, що легування оловом кремнію n-типу має приводити до зростання як швидкості радіаційної деградації рекомбінаційних властивостей, так і швидкості видалення ОНЗ незалежно від концентрації електрично активної домішки та дози опромінення. Зокрема, згідно зроблених оцінок при N_Sn = 1.8·10¹⁹ см-³ швидкість радіаційної деградації даних параметрів має зростати приблизно в 1.6 разів порівняно з Si.

У випадку провідності p-типу вплив Sn на рекомбінаційні властивості Si має протилежний характер. Згідно зроблених оцінок при N_Sn = 1.8·10¹⁹ см-³ швидкість деградації рекомбінаційних параметрів Si:Sn повинна зменшуватись у порівнянні з Si приблизно вдвічі. Аналіз швидкості видалення ОНЗ в Si:Sn p-типу, проведений з урахуванням енергетичного спектру дефектів, показав, що при положенні рівня Фермі E_F > E_V + 0.28 еВ вона також повинна бути меншою, ніж в Si. Зазначене положення рівня Фермі має місце, якщо концентрація дефектів, утворених при опроміненні, не перевищує концентрацію мілких акцепторів.

Для перевірки зроблених висновків було досліджено вплив домішки Sn на швидкість видалення ОНЗ в кремнії n-типу при електронному опроміненні. Видно, що легування оловом призводить до зростання k_n. Зокрема, при N_Sn = 1.7·10¹⁹ см-³ швидкість деградації у порівнянні з контрольним Si зростає приблизно в 1.7 рази, що в межах похибки узгоджується з теоретичними оцінками, зробленими в даній роботі.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

Досліджено процеси дефектно-домішкової взаємодії, які відбуваються під дією опромінення швидкими електронами в монокристалічному кремнії, легованому оловом та вуглецем; вивчено термічну трансформацію радіаційних дефектів в Si:Sn в інтервалі температур від 90 до 760 К; досліджено радіаційну деградацію параметрів Si:Sn. Основні результати роботи наступні:

1. Встановлено, що олово в кремнії ефективно взаємодіє не лише з вакансіями, а також і з міжвузельними атомами. Показано, що домішкові атоми Sn захоплюють дифундуючі міжвузельні атоми вуглецю з утворенням комплексів C_ISn_S. Показано, що ефективність взаємодії C_I з оловом майже вдвічі вища за ефективність взаємодії його з киснем і в п'ять разів вища за ефективність взаємодії з вузловим вуглецем.

2. Експериментально встановлено, що центри C_ISn_S існують у двох структурних конфігураціях, які мають різну термічну стабільність. Показано, що менш стабільна конфігурація при відпалі трансформується в більш стабільну, а більш стабільна відпалюється шляхом дисоціації. Визначено енергії активації відпалу для обох конфігурацій центрів C_ISn_S та змодельовано їх енергетичну структуру.

3. Досліджено вплив олова на процеси дефектоутворення в кремнії за участю вакансій та міжвузельних атомів кисню. Встановлено, що при відпалі центри VO ефективно взаємодіють з домішковими атомами Sn з утворенням нових дефектів SnVO. Запропоновано модель атомної структури центрів SnVO та визначено енергію активації їх відпалу.

4. В наближенні квазіхімічних реакцій описано процеси радіаційного дефектоутворення, що відбуваються в кремнії за участю атомів Sn під час іонізуючого опромінення та наступних термообробок. Отримано аналітичні вирази для залежності концентрацій радіаційних дефектів від вмісту олова, які добре узгоджуються з експериментальними даними.

5. Досліджено вплив Sn на радіаційну деградацію електрофізичних параметрів Si при опроміненні в області кімнатних температур. Показано, що в кремнії n-типу легування оловом має приводити до підвищення швидкості радіаційної деградації як рекомбінаційних параметрів, так і швидкості видалення ОНЗ. В той же час в кремнії p-типу має спостерігатися уповільнення деградації рекомбінаційних параметрів та швидкості видалення ОНЗ.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Khirunenko L. I., Kobzar O. A., Pomozov Yu. V., Sosnin M. G., Tripachko N. A., Markevich V. P., Murin L. I., Peaker A. R. Defect-impurity interactions in irradiated tin-doped Cz-Si crystals. // Phys. Stat. Sol. - 2003. - N. 2. - Р. 694 - 697.

2. Хируненко Л. И., Кобзарь О. А., Помозов Ю. В., Соснин М. Г., Трипачко Н. А. Влияние олова на реакции, протекающие с участием межузельного углерода в облученном кремнии. // ФТП. - 2003. - T. 37, В. 3. - С. 304 - 309.

3. Khirunenko L. I., Kobzar O. O., Pomozov Yu. V., Sosnin M. G., Tripachko M. O. Peculiarities of vacancy-related defects formation in Si doped with tin. // Physica B. - 2003. - V. 340 - 342. - Р. 541 - 545.

4. Khirunenko L. I., Kobzar O. O., Pomozov Yu. V., Sosnin M. G., Tripachko M. O., Abrosimov N. V., Riemann H. Interstitial-related reactions in silicon doped with isovalent impurities. // Physica B. - 2003. - V. 340 - 342. - Р. 546 - 550.

5. Khirunenko L. I., Kobzar O. O., Pomozov Yu. V., Sosnin M. G., Tripachko M. O., Abrosimov N. V., Riemann H. Interstitial-related radiation defects in silicon doped with tin and germanium. // Solid State Phenomena. - 2004. - V. 95 - 96. - P. 393 - 398.

6. Хируненко Л. И., Кобзарь О. А., Помозов Ю. В., Соснин М. Г., Трипачко Н. А. Радиационное дефектообразование в кремнии, легированном оловом. // Тезисы 3-й Российской конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе (Кремний - 2003), М.: МИСиС, 2003, с. 153 - 154.

7. Khirunenko L. I., Kobzar O. O., Pomozov Yu. V., Sosnin M. G., Tripachko M. O. Peculiarities of vacancy-related defects formation in Si doped with tin. // Materials of The 22-nd International Conference on Defects in Semiconductors (July 28 - August 1, 2003). - Aarhus, Denmark. - 2003.

8. Khirunenko L. I., Kobzar O. O., Pomozov Yu. V., Sosnin M. G., Tripachko M. O., Abrosimov N. V., Riemann H. Interstitial-related reactions in silicon doped with isovalent impurities. // Materials of The 22-nd International Conference on Defects in Semiconductors (July 28 - August 1, 2003). - Aarhus, Denmark. - 2003.

Список використаних джерел

1. Баженов В. К., Фистуль В. И. Изоэлектронные примеси в полупроводниках. Состояние проблемы. // ФТП. - 1984. - Т. 18. - В. 8. - С. 1345 - 1362.

2. Стоунхэм А. М. Теория дефектов в твердых телах. / Пер. с англ. Бразовского С. А., Кировой Н. Н., Копнина Н. Б. - М.: Мир, 1978. - Т. 2. - 360 с.

3. Watkins G. D. A microscopic view of radiation damage in semiconductors using EPR as a probe. // Trans. IEEE. - 1969. - V. NS-16. - N 6. - P. 13 - 18.

4. Watkins G. D. Defects in irradiated silicon: EPR of the tin-vacancy pair. // Phys. Rev. B. - 1975. - V. 12. - N 10. - P. 4383 - 4390.

5. Watkins G. D., Brower K. L. EPR observation of the isolated interstitial carbon atom in silicon. // Phys. Rev. Lett. - 1976. - V. 36. - N 22. - P. 1329 - 1332.

6. Lavrov E. V., Fanciulli M. Interstitial carbon-substitutional tin center in silicon (?). // Physica B. - 2001. - V. 302 - 303. - P. 263 - 267.

7. Lavrov E. V., Fanciulli M., Kaukonen M., Jones R., Briddon P. R. Carbon-tin defects in silicon. // Phys. Rev. B. - 2001. - V. 64. - P. 125212.

АНОТАЦІЯ

Кобзар О. О. Дефектно-домішкова взаємодія в кремнії, легованому ізовалентними домішками. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Інститут фізики НАН України, Київ, 2006.

Дослідження присвячене вивченню процесів дефектно-домішкової взаємодії, які протікають в кремнії, легованому оловом та вуглецем, під дією іонізуючого опромінення та подальших термообробок. Встановлено, що домішкові атоми Sn в опроміненому кремнії при відпалі ефективно взаємодіють з міжвузельним вуглецем з утворенням центрів “міжвузловинний вуглець + олово”. Експериментально показано, що центри можуть існувати в двох структурних конфігураціях з різною термічною стабільністю. Оцінено ефективність взаємодії міжвузельного вуглецю з оловом. Змодельовано енергетичну структуру виявленого дефекту. Встановлено, що олово значно впливає на дифузію центрів “вакансія + кисень” в кремнії. Дифундуючі при відпалі центри “вакансія + кисень” ефективно взаємодіють з домішковими атомами Sn з утворенням нових дефектів “олово + вакансія + кисень”. Для виявлених центрів визначено енергію активації відпалу. Показано, що в кремнії n-типу легування оловом призводить до зниження радіаційної стійкості, тоді як в кремнії p-типу наявність олова може призводити до її зростання. Визначено діапазон доз опромінення та концентрацій мілких акцепторів, при яких Si:Sn p-типу є більш радіаційно стійким, ніж Si.

Ключові слова: кремній, ізовалентні домішки, олово, вуглець, радіаційні дефекти, дефектно-домішкова взаємодія.

АННОТАЦИЯ

Кобзарь О. А. Дефектно-примесное взаимодействие в кремнии, легированном изовалентными примесями. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. - Институт физики НАН Украины, Киев, 2006.

Обнаружено, что олово в кремнии эффективно взаимодействует не только с вакансиями, как считалось ранее, а также и с межузельными атомами. Показано, что примесные атомы Sn захватывают диффундирующие межузельные атомы углерода с образованием комплексов C_ISn_S. Показано, что эффективность взаимодействия C_I с оловом почти в два раза выше, чем эффективность взаимодействия его с кислородом и в пять раз выше, чем эффективность взаимодействия с узловым углеродом.

Экспериментально обнаружено, что центры C_ISn_S существуют в двух структурных конфигурациях, которые имеют различную термическую стабильность. Показано, что менее стабильная конфигурация при отжиге трансформируется в более стабильную, а более стабильная отжигается путем диссоциации. Определены энергии активации отжига для обеих конфигураций центров C_ISn_S и смоделирована их энергетическая структура.

Исследовано влияние олова на процессы дефектообразования в кремнии, протекающие с участием вакансий и межузельных атомов кислорода. Обнаружено, что при отжиге центры VO эффективно взаимодействуют с примесными атомами Sn с образованием новых дефектов SnVO. Предложена модель атомной структуры центров SnVO, а также определена энергия активации их отжига.

В приближении квазихимических реакций проведено описание процессов радиационного дефектообразования, которые протекают в кремнии с участием атомов Sn под действием облучения и дальнейших термообработок. Получены аналитические выражения для зависимости концентраций радиационных дефектов от содержания олова, которые хорошо согласуются с экспериментальными данными.

Исследовано влияние Sn на радиационную деградацию электрофизических параметров Si при облучении в области температур 290 - 320 К. Анализ проводился с учетом концентрации дефектов, сечений захвата носителей заряда, положения энергетических уровней дефектов и уровня Ферми. Показано, что в кремнии n-типа проводимости легирование оловом должно приводить к повышению скорости радиационной деградации как рекомбинационных параметров, так и скорости удаления основных носителей заряда. Напротив, в кремнии p-типа должно наблюдаться как замедление деградации рекомбинационных параметров, так и замедление удаления основных носителей заряда. Экспериментально подтверждено, что легирование кремния n-типа оловом приводит к возрастанию скорости удаления свободных основных носителей заряда при облучении быстрыми электронами (E_e = 1 МэВ, Т_irr = 300 К).

Ключевые слова: кремний, изовалентные примеси, олово, углерод, радиационные дефекты, дефектно-примесное взаимодействие.

ANNOTATION

Kobzar O. O. Defect-impurity interaction in silicon, doped with isovalent impurities. - Manuscript.

The dissertation for a candidate of science degree in physics and mathematics with specialization 01.04.07 - solid state physics. - Institute of Physics, National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2006.

The research is devoted to an investigation of defect-impurity interaction occurred in silicon doped with tin and carbon upon ionizing irradiation and following thermal treatments. It have been found that substitutional Sn atoms effectively interact with the interstitial carbon during annealing of the irradiated silicon and in result the “interstitial carbon + tin” centres form. It was shown experimentally, that these centres may exist in two structural configurations with various thermal stability. The efficiency of interaction of interstitial carbon with tin atom was evaluated and the energy structure of found defect was modelled. Tin atom was found to affect appreciably the diffusion process of “vacancy + oxygen” centres in silicon. Diffused upon annealing “vacancy + oxygen” centres effectively interact with Sn atoms and new centres “tin + vacancy + oxygen” are created. The annealing activation energy of the new centres was determined. It was shown, that doping of n-type silicon by tin causes the decrease of Si radiation hardness, whereas in p-type silicon the doping with tin may leads to the increase of radiation stability. The irradiation doses and shallow acceptor concentrations, at which Si:Sn is more radiation stable than Si, were determined.

Keywords: silicon, isovalent impurities, tin, carbon, radiation defects, defect-impurity interaction.

Размещено на Allbest.ru

...