Пассивация атомарным водородом дефектов в кристаллическом кремнии Токмолдин, Серекбол Жарылгапович

Введение к работе

Актуальность темы. В настоящее время монокристаллический кремний (Si) является основным, наиболее чистым и совершенным по структуре и составу материалом, используемым в полупроводниковой электронике. Именно, кремниевые интегральные схе.мы с высокой и сверхвысокой плотностью элементов, недостижимой на других материалах, стилгулировали быстрое развитие современной телекоммуникационной и компьютерной индустрии, информационных сетей и т.д. Более того, прогресс технологий Si (в частности, можно отметить бурное развитие исследований Si, легированного редкими землями, и пористого Si, которые могут служить для создания полупроводниковых источников излучения) позволяет прогнозировать доминирующую роль Si, по крайней мере, в начале 21-го века.

Улучшение параметров материала, а также методов создания приборных структур, начиная от первого транзистора до сверхбольших интегральных схем, было бы немыслимо без развития фундаментальных исследований природы дефектов, к которым относятся различные примеси, точечные и протяженные нарушения кристаллической структуры, в том числе радиационного происхождения, границы раздела и поверхность материала. Дефекты определяют такие важные характеристики, как концентрация и время жизни носителей заряда, временную стабильность и стойкость к внешним воздействиям и т.д. При этом присутствие дефектов может быть как нежелательным, так и практически полезным для управления свойствами материала и изделий на его основе.

Управление дефектно-примесными состояниями в полупроводниках
путем введения в объем материала атомарного водорода (Н) является в
настоящее время одним из перспективных направлений физики твердого тела
и материаловедения. Водород может вводиться в рабочую область
по.т>тгооводниковых структур как с целью управления электрофизическими
параметрами с использованием методов ионной имплантации либо ионно-
плазменной обработки в атмосфере Н₂ или Н-содержащих соединений (Н-
обработка), так и непреднамеренно на различных технологических этапах,
включая кислотное травление, фотолитографию, покрытие поверхности
пассивирующими пленками и т.д. К примеру, Н эффективно проникает из
водных растворов или паров воды в слои Si0₂, используемые для создания
МОП-структур, при температурах близких к комнатной и достигает
концентрации см" . Последующее воздействие радиации приводит к

высвобождению Н и его проникновению в объем Si. Обладая высокой подвижностью и химической активностью Н существенно влияет на

энергетические уровни дефектов в запрещенной зоне, обусловливая го модификацию, нейтрализацию и появление новых уровней.

До начала 70-х годов считалось, что Н в полупроводниках являете? нейтральной примесью. Теоретические и экспериментальные исследования Н і Si, относящиеся к этому периоду, показали, что Н не взаимодействует ( атомами кристаллической решетки, является междоузельной примесью ( глубоким донорным уровнем, возможно в валентной зоне, обладает высоко! подвижностью и малой растворимостью. Однако обнаружение в Si посік имплантации ионов Н* мелких "водородных" доноров [1,2], представляющю собой комплексы атомов Н с радиационными дефектами, полос инфракрасной (ИК) поглощения на колебаниях Si-H ковалентных связей в окрестності собственных радиационных дефектов [3] и первые результаты пс нейтрализации (пассивации) водородом электрической активности различны? примесей с мелкими [4,5] и глубокими [6] уровнями, а также дивакансий і других точечных дефектов [7,8] послужили началом интенсивны? исследований поведения Н в Si, Ge, GaAs и других сложны? полупроводниковых соединениях.

Первоначальный интерес к проблеме Н стимулировался перспективо! получения полезного эффекта. Было показано, что Н-обработка может был использована для улучшения характеристик фотоэлементов на основі поликристаллического и ленточного Si, в технологии полученш сверхбыстродействующих полевых транзисторов на основе GaAs и ІпР, до подавления влияния дефектов на границе раздела на характеристики приборої на основе гстероструетур и т.д. В то же время выяснилось, что в процессе Н обработки имеет место ряд побочных эффектов, затрудняющи? прогнозирование как самого процесса водородной пассивации, так і последующей модификации электрофизических свойств пассивированны? структур. Дальнейший прогресс требовал детального изучения физша процесса, в связи с чем чрезвычайно важными являются, в первую очередь фундаментальные аспекты проблемы, связанные с местоположениями і состояниями Н в кристаллической решетке полупроводника, механизмамі диффузии и взаимодействия с дефектами и примесями, с микроструктурой оптическими и электрическими свойствами Н-содержащих комплексов, и? стабильностью и т.д.

Наконец, Н, являющийся самым легким химическим элементом і обладающий простейшей электронной структурой, и Si, который можні рассматривать как идеальный модельный материал, представляют собой очені удобные объекты для развития теоретических и экспериментальных методо) исследования дефектов в твердых телах.

Целыо настоящей работы являлась разработка физических основ управления электрофизическими свойствами дефектов в кристаллическом кремнии атомарным водородом.

Для достижения цели были поставлены задачи определения состояний Н в Si, изз'чения его влияния на электрические и оптические свойства, анализа спектра локальных колебаний и характера связи Н в окрестности точечных радиационных дефектов, изучения микроструктуры комплексов Н с дефектами, механизмов модификации свойств дефектов, исследования влияния типа и концентрации легирующей примеси с мелким уровнем в запрещенной зоне на процессы водородной пассивации.

Научная новизна заключается в том, что в работе впервые:

1. Дано феноменологическое описание процессов модификации и пассивации атомарным водородом дефектов в кристаллическом кремнии.

2. Разработана зарядово-конфигурационная модель Н в Si, включающая состояние Нт⁺ в Т-междоузлии, на основе которой могут быть описаны механизмы взаимодействия Н с дефектами и модификации уровней дефектов в запрещенной зоне.

3. Показана определяющая роль зарядовых состояний Н и дефектов в процессе их взаимодействия с последующим химическим связыванием Н на Si-H ковалентных связях, что обуславливает преобладание комплексов с четным числом атомов Н, имеющих донорный характер либо нейтральньгх.

4. Установлено, что декорирование атомами Н оборванных Si-связей в окрестности примесей и их комплексов с первичными радиационными дефектами обуславливает перестройку и смещение примесных уровней в запрещенной зоне. Дополнительный захват Н примесью может приводить как к дальнейшей модификации уровней, так и к нейтрализации путем образования донорно-акцепторных пар.

5. Из анализа энгармонизма и характера связи Н в окрестности дефектов показано, что различие гибридизации атомов Si и наличие отрицательного заряда на атомах Н приводят к раздельному расположению Si-H полос вакансионных и междоузельных комплексов в спектре ИК поглощения.

6. Показано, что из-за существенной локальности Si-H моды сложных вакансионных и междоузельных комплексов определяются колебаниями Н в окрестности отдельных, характерных структурных элементов комплекса.

7. Установлено, что Н в Si образует связи ионного типа в различных конфигурациях. Показано, что Н в окрестности комплексов Р^Н" и А'Н⁴" с мелким донором и акцептором, обладает акцепторным и донорным уровнями, расположенными при ~Е_с-0.4 эВ и ~E_v+0.3 эВ, соответственно.

8. Проведено исследование оптической активности "водородного" донора и

предложена модель его электронных уровней и конфигурации, в которой два атома Н локализуются в окрестности агломерата шютноупакованных атомов Si в положениях, следующих за ближайшим в плоскости {110}.

Практическая значимость работы. Экспериментальные результаты и физическое описание состояний Н и процессов его взаимодействия с дефектами в Si имеют важное значение для развития представлений о природе дефектов в твердых телах. Полученные данные могут найти применение в научных исследованиях и разработке технологических методов в производстве изделий твердотельной электроники.

Положения, выносимые на защиту.

8. Зарядово-конфигурационная модель Н в Si, включающая состояние Н_т⁺.

9. Феноменологическое описание процессов модификации и пассивации атомарным водородом дефектов в Si.

10. Характеристичность локальных мод колебаний как фундаментальный признак типа химической связи водорода в кремнии.

11. Обнаружение оптической активности "водородного" донора и модель его состояний.

Совокупность полученных в работе научных положений и результатов можно квалифицировать как новое крупное достижение в развіггии нового, перспективного научного направления в области физики твердого тела и материаловедения - управление свойствами дефектов в кристаллических твердых телах атомарным водородом.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на многих международных и национальных конференциях и семинарах: Всесоюзный семинар по радиационной физике полупроводников (Новосибіфск, 1985, 1987); Всесоюзный семинар по радиационным и термическим дефектам в полупроводниках (Киев, 1988); 3-ья Международная конференция по мелким примесям в полупроводниках (Линчепинг, Швеция, 1988); 15-ая Международная конференция по дефектам в полупроводниках (Будапешт, Венгрия, 1988); б-ой Международный снмпозіг/м Международного центра теоретігческой физики "Водород в полупроводниках: объемные и поверхностные свойства" (Триест, Италия, 1990); Международная конференция по научным и технологическим аспектам управления дефектами в полупроводниках (Иокогама, Япония, 1990); 1-ая региональная конференция республик Средней Азии и Казахстана "Радиационная физика твердого тела" (Самарканд, Узбекистан, 1991); 1-ая национальная конференция "Дефекты в полупроводниках" (Санкт-Петербург, Россия, 1992); Международная конференция по модификации материалов лазерными и ионными пучками (Икебукуро, Токио, Япония, 1993); 18-ая Международная конференция по

дефектам в полупроводниках (Сендай, Япония, 1995); 7-ая Международная конференция по мелким примесям в полупроводниках (Амстердам, Голландия, 1996); 19-ая Международная конференция по дефектам в полупроводниках (Авейро, Португалію, 1997).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 25 печатных работах.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Содержит 173 страницы машинописного текста, включая 4 таблицы по тексту, 53 рисунка и список литературы из 213 наименований на 22 страницах; всего 248 страниц.