Введение к работе
Актуальность проблемы. Повышение степени интеграции ИС с одновременным увеличением площади кристалла, увеличение быстродействия и снижение энергоемкости приводят к ужесточению требований к качеству кремниевых пластин, диктуют поиск новых технологий в микро- и наноэлектронике. Многие свойства полупроводников зависят от того, в какой степени реальные твердые тела отклоняются от "идеальных" структур. Введение примесей и радиационных дефектов определяет физические свойства кремния, позволяет управлять параметрами полупроводниковых приборов и широко используется в современной микроэлектронике [1]. В то же время дефекты могут играть и отрицательную роль, ухудшая параметры п\п приборов. Неконтролируемые примеси кислорода, углерода, водорода и другие, присутствующие в исходных кристаллах или вносимые в ходе технологических обработок в процессе производства полупроводниковых приборов, оказывают решающее влияние на их характеристики и, соответственно, процент выхода годных изделий. Поэтому изучение природы и свойств дефектов является одним из основных направлений современной физики полупроводников.
Каждое воздействие определяет новое равновесное состояние кристалла, которое достигается через взаимодействие дефектов [2]. В приборных структурах электрическая активность дефектов определяется: типом дефекта, взаимодействием друг с другом и с примесями, расположением дефекта по отношению к активным областям прибора, особенностям технологического процесса изготовления прибора. Однако, большинство дефектов, созданных внешним воздействием, термически неустойчиво, а состояние системы в этом случае является неравновесным [3].
Изучение процессов восстановления равновесного состояния в полупроводниках, которое имеет место при термической диссоциации (отжиге) нарушений, дает важные результаты для физики реальных кристаллов. Особый научный и практический интерес при этом представляет изучение релаксационных процессов в исходно неравновесных кристаллах и структурах при генерации точечных дефектов и ионизации в условиях низких температур, в частности, сбразоваїше междоузельного компонента легирующей примеси. Предполагая, что взаимодействие собственных междоузельных атомов с примесями является следствием неравновесности системы кристалл-примесь в условиях облучения [4], следует ожидать
протекание этой реакции при радиационных обработках в кристаллах кремния с концентрацией примеси в узлах выше равновесной при температуре облучения.
Успехи физики твердого тела и физического материаловедения в значительной мере связаны с успехами в наших представлениях о природе, атомной структуре дефектов. Однако, и в настоящее время многие детали, касающиеся взаимодействия примесей и дефектов при низких температурах и в условиях неравновесности, остаются неясными. Связано это с многообразием типов дефектов и возможных вариантов их взаимодействия между собой и с примесями [3]. Эффективным методом исследования дефектов в твердых телах является внедрение атомарного водорода в кремний и изучение процессов его взаимодействия с примесями и дефектами [5]. Водород обладает высокой подвижностью и химической активностью при низких температурах, может встраиваться в кристаллическую решетку в окрестности мелких доноров и акцепторов, комплексов точечных дефектов, изменяя их электрические свойства. Управление электрофизическими параметрами кремния и структур на его основе путем введения атомарного водорода имеет большое значение, обусловленное практическими задачами технологии изготовления полупроводниковых приборов. Из вышесказанного следует, что исследования природы примесных и дефектных центров (в частности, изучение поведения примесей с мелкими уровнями), процессов их взаимодействия и влияния на свойства кристаллического кремния несомненно являются актуальными.
В настоящей работе исследовано взаимодействие радиационных дефектов и водорода с легирующими примесями в кремнии в условиях различной степени пересыщения по отношению к равновесной концентрации примесей и дефектов в кристаллах.
Цель и задачи работы. Целью настоящей диссертационной работы являются исследования радиационных процессов и процессов взаимодействия с атомарным водородом в системе кремний - легирующая примесь с различным пересыщением, определяемым концентрацией примеси и температурой.
Дня достижения указанной цели были поставлены и решались следующие задачи:
1. провести исследование методом ИК-спектроскопии изменения концентрации фосфора в замещающем положении в кремнии с различным содержанием кислорода и углерода при облучении электронами и последующих отжигах;
-
исследовать методом ИК-спектросхопии изменение концентрации фосфора (Ps) и бора (В,) в узлах решетки кремния при облучении электронами в температурном интервале 20+700 С;
-
изучить влияние гидрогенизации на прыжковую проводимость по примесной зоне в сильно легированных слоях кремния р-типа;
-
получить гидрогенизацией структуры с блокированной прыжковой проводимостью на сильнолегированном p-Si
и провести экспериментальные исследования их электрофизических и фотоэлектрических характеристик.
Научная новизна работы:
-
На основе совместных измерений концентрации атомов фосфора в узлах методом ИК-спехтроскопші, радиационных дефектов методом DLTS, свободных электронов установлено, что убыль фосфора в узлах превышает концентрацию образующихся известных вакансионньгх дефектов с фосфором. Это свидетельствует о наличии взаимодействия атомов фосфора с междоузелъными атомами кремния.
-
Определено влияние концентрации фоновых примесей кислорода и углерода в кремнии на изменение концентрации фосфора в узлах при электронном облучении. Обосновано существование реакции взаимодействия атомов фосфора с междоузельными атомами кремния, в частности вытеснение их в междоузелыгые положения.
-
Показано, что зависимость изменения концентрации атомов бора и фосфора в узлах решетки кремния от температуры облучения в диапазоне 20+700С имеет нарастающие ц спадающие участки. Полученные результаты интерпретированы исходя из наличия двух процессов: 1) вытеснения примеси из узла в междоузельное положение собственными междоузельными атомами и появления междоузельных комплексов, содержащих легирующие примеси; 2) растворения междоузельной примеси в вакансиях (радиационных и термических).
-
Определена область термической устойчивости радиационно-введенных комплексов в кремнии, в состав которых входят атомы фосфора. Установлено, что восстановление атомов фосфора в узлах связано с областями температур, где происходит термическая диссоциация основных взкансиониых дефектов (А-центры, Е-центры, дивакансии).
-
Обнаружено, что гидрогенизация имплантированных слоев кремния р-тила приводит к подавлению прыжковой проводимости по примесной зоне.
-
Предложен и обоснован метод получения блокирующих слоев для фоточувствительных ВШ(Н) - структур путем пассивации мелкой акцепторной примеси атомарным водородом.
Практическая значимость работы:
Полученные экспериментальные данные о взаимодействии атомов фосфора с радиационными дефектами в кремнии с различным содержанием кислорода, углерода при облучении в широком диапазоне температур имеют практическое значение при прогнозировании радиационной стойкости кремния и полупроводниковых приборов.
Полученные данные о возможности блокирования прыжковой проводимости по примесной зоне с помощью гидрогенизации кремния р-типа были применены для создания радиационно стойких фоточувствительных ликеек ИК-излучения на основе ВШ(Н)-структур.
Результаты исследований были переданы для использования предприятиям электронной промышленности.
Положения и основные результаты, выносимые на защиту:
-
При облучении кристаллов кремния с концентрацией донорной и акцепторной примеси, превышающей растворимость при данной температуре, происходит распад раствора примеси в кристаллах с образованием междоузельных дефектов, включающих примесь. В данном рассмотрении реакция Уоткинса является начальной стадией распада пересыщенных растворов примеси.
-
Увеличение мощности междоузельных стоков в кремнии (концентрации углерода), увеличение концентрации свободных вакансий при росте температуры облучения ц отжига определяют стационарную концентрацию междоузельного компонента примеси.
-
Гидрогенизация сильно легированного кремния приводит к пассивации акцепторной примеси атомарным водородом и формированию слоев с толщиной, определяемой диффузией и захватом водорода на примесь. Установлено блокирование прыжковой проводимости по примесной зоне гидрогенизированнымп слоями кремния.
4. На основе блокирования прыжковой проводимости по примесной зоне гидрогенизированными слоями получены фоточувствительные ВШ(Н)-структуры. Апробация работы п публикации. Основные результаты проведенных исследований были представлены и обсуждены: на Всесоюзных совещаниях "Радиационная физика полупроводников" (г.Новосибирск); на Всесоюзной конференции "Радиационная физика полупроводниковых и родственных материалов" (г.Ташкент, 1984г.); на XII Республиканском семинаре (г.Киев, 1986г.); на Ш Республиканской школе-конференции молодых ученых "Актуальные проблемы физики полупроводников" (г.Алушта, 1989г.); на международной конфереящш по дефектам s полупроводниках (Будапешт, Венгрия, 19S9); на П Всесоюзной конференции "Фотозлекірические явления в полупроводниках" (Ашхабад, 1991); на I Российской конференции по физике полупроводников (Нижний Новгород, 1993г.); на семинарах отдела Радиационной физики и технологии полупроводников ИФП СО РАН. Общее число публикаций: 18.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 133 страницах: состоит из введения, 4-х глав, выводов и заключения. Работа содержит 36 рисунков, 7 таблиц и библиографический список из 143 наименований.
