Введение к работе
Актуальность темы. Основным материалом для производства
полупроводниковых приборов и ИС является кремний. Развитие
полупроводниковой электроники стимулирует совершенствование
технологии получения кремния с характеристиками отличными от
традиционных. Так наблюдается расширение примесного состава и
диапазона уровней легирования кремния от 1012 до 1020 см"3. Все более
разнообразными становятся условия, в которых должны работать
полупроводниковые приборы. Развитие космической техники, ядерных
энергетических установок, радиохимических производств,
исследовательских комплексов требует создания радиационно-стойких полупроводниковых приборов и ИС. В тоже время облучение высокоэнергетическими электронами, протонами, нейтронами вошло в технологию изготовления полупроводниковых материалов и приборов.
В связи с изложенным, изучение влияния радиационных повреждений на свойства материала и активных областей приборов с целью создания радиационно-стойких приборов и ИС является актуальным. Несмотря на достигнутые успехи в этой области, многие вопросы изучены пока недостаточно. Одним из таких вопросов является радиационное дефектообразование в кремнии с высоким уровнем легирования. Изменение зарядовых состояний первичных дефектов, соотношения между концентрациями неконтролируемых и легирующих примесей при повышении уровня легирования, могут привести к существенному изменению механизмов и эффективности образования дефектов.
В последнее время было предложено использовать в радиационной технологии полупроводниковых приборов излучение изотопных альфа-источников. Однако, к моменту постановки работы отсутствовали систематические данные об особенностях образования дефектов, их параметрах и природе при облучении альфа-частицами.
В процессе изготовления практически всех приборов и ИС кремний подвергается высокотемпературным обработкам, воздействию ионных пучков примесных атомов. Это приводит к изменению структурного совершенства исходных кристаллов и может существенным образом влиять на физико-химические процессы, протекающие при облучении. Электрические поля и инжекция носителей в активных областях
приборов также влияют на процессы радиационного дефектообразования. В этой связи наиболее достоверную информацию о радиационной стабильности полупроводниковых приборов можно получить с использованием методик разработанных для р-п-, МОП-структур, являющихся основными активными элементами практически всех приборов. Использование таких обьектов исследования позволяет моделировать реальные условия активных областей приборов. К тому же, разработанные методы исследования: емкостная спектроскопия глубоких уровней (DLTS-спектроскопия), измерение генерационного и рекомбинационного времени жизни носителей заряда, C-V-метрия, позволяют проводить надежное измерение изменений электрофизических характеристик полупроводниковых кристаллов при потоках излучений вызывающих незначительное отклонение параметров приборов от исходных.
Связь работы с научными программами. Диссертационные исследования проводились в рамках программ и тем "Рекомбинация-1" ч-"Рекомбинация-3", "Виброн-1", "Вега-2", "Вега-4", "Сигма-1", Сигма-2", Сигма-3", "Антей-1", утвержденных директивными органами и постановлениями правительства, а также в рамках международного CMS-проекта (CERN).
Цель работы. Экспериментально установить закономерности
радиационного дефектообразования в кремнии и структурах на его основе в зависимости от примесного состава и уровня легирования в диапазоне 1012 -г 1019 см"3 при облучении гамма-квантами, электронами, альфа-частицами, нейтронами, протонами, осколками деления 252Cf. Разработать модели описывающие наблюдаемые закономерности. Определить параметры радиационных центров в кремнии с сильным электрон-решеточным взаимодействием
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
определить энергетический спектр, кинетику накопления дефектов, изменение времени жизни носителей заряда в зависимости от уровня легирования кремния, типа его проводимости и метода получения;
установить зависимость эффективности образования радиационных дефектов и их стабильность от температуры, сильного электрического поля, инжекции носителей;
- установить закономерности изменения начальной скорости удаления носителей и коэффициента радиационного изменения времени жизни неосновных носителей заряда от уровня легирования и типа образующихся дефектов;
- определить радиационную стабильность границы раздела кремний-диэлектрик для разных методов получения кремния и различного примесного состава.
Обьекты и методы исследований. Изучались радиационные изменения электрофизических свойств базовой области п+-р (р+-п)-структур, полученных на основе кремния легированного бором (фосфором) в диапазоне концентраций 1012+4-1018 см"3 (анализ с учетом литературных данных проводился до 1020 см). Исследуемые р-n- и МОП-структуры изготавливались на основе кремния полученного по Чохральскому, зонной плавкой, нейтронным трансмутационным легированием, эпитаксиальным выращиванием. Изучались p-n-структуры, базовая область которых была легирована Ge в диапазоне концентраций 21018 + 2І02' см"3. Изучались МОП-структуры, диэлектрический слой которых в процессе получения легировался азотом.
С использованием п+-р (р+-п)-структур изучалось радиационное изменение времени жизни неосновных носителей заряда, начальная скорость удаления носителей, энергетический спектр и эффективность введения дефектов. Для МОП-структур изучалось изменение генерационного времени жизни носителей, плотности поверхностных состояний.
Измерение рекомбипационного времени жизни неосновных носителей заряда в базовой области п+-р (р+-п)-структур проводилось по переходным характеристикам при переключении прямоугольным импульсом или синусоидальным сигналом. Параметры дефектов и эффективность их введения определялись методом DLTS-спектроскопии. Разработана установка, позволяющая регистрировать концентрацию глубоких центров 10"3 -і- 10"4 см"3 от уровня легирования мелкими примесями. Концентрация Ge в кремнии измерялась методами обратного резерфордовского рассеяния и рентгеновского микроанализа. Профиль легирования и его изменение при облучении в р-n- и МОП-структурах определялся методом второй гармоники. Генерационное время жизни носителей измерялось методом линейной развертки с использованием МОП-структур. Шотность
поверхностных состояний рассчитывалась на основе измерений высокочастотных и квазистатических C-V-зависимостей. Из анализа C-V-зависимостей определялась концентрация основных носителей и ее изменение при облучении. Анализ химического состава слоев диэлектрика проводился методом рентгеновской электронной спектроскопии.
Радиационные дефекты вводились облучением гамма-квантами 60Со, электронами с энергией 7 МэВ, быстрыми реакторными нейтронами и моноэнергетическими с Е=14 МэВ, протонами с Е=660 МэВ, осколками деления 252Cf (М,=80 а.е.м. с Е,=80 МэВ и М2=130 а.е.м. с Е2=60 МэВ), альфа-частицами изотопных источников 2|0Ро с энергией 4.7 МэВ (длина пробега в кремнии 20 мкм).
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем. 1.Мето дом емкостной спектроскопии впервые проведены систематические исследования энергетического спектра радиационных дефектов в зависимости от уровня легирования кремния п- и р-типа. Установлено, что энергетический спектр основных дефектов не зависит от уровня легирования. Показано, что в диапазоне уровней легирования 5 10!4-г10п см"3 наблюдается перезарядка вакансий, приводящая к изменению эффективности образования стабильных вакансионных комплексов. Установлен полный спектр энергетических уровней вакансии в кремнии.
2. Проанализированы механизмы аннигиляции первичных дефектов в кремнии. Установлено, что в слабо легированном кремнии (концентрация примесей < 1015 см"3) первичные радиационные дефекты в основном уходят на стоки или рекомбинируют на них. Технология получения исходного кремния (зонная плавка, по Чохральскому, нейтронное трансмутационное легирование, эпитаксия) практически не определяет эффективность ' аннигиляции первичных дефектов. Показано, что легирование кремния изовалентной примесью германия вплоть до 21021 см" не влияет на скорость введения стабильных комплексов и, соответственно, эффективность аннигиляции первичных дефектов.
3.У становлено, что в сильно легированном кремнии (концентрация примесей >1019 см"3) характер радиационного дефектообразования существенно изменяется - аннигиляция первичных дефектов практически отсутствует, а скорость удаления носителей равна скорости введения смещений. С учетом этого, предложен экспериментальный метод
определения энергии необходимой только для разрыва связей атома в решетке и равной пороговой энергии образования первичных смещений в сильно легированном кремнии.
4.Впервые проведено систематическое изучение влияния точечных радиационных дефектов и областей скоплений дефектов на изменение электрофизических свойств кремния с высоким уровнем легирования. Показано, что при введении точечных радиационных дефектов (РД) в сильно легированном кремнии изменение времени жизни неосновных носителей заряда определяется введением комплексов в состав которых входят атомы легирующих примесей (Р, В), а изменение концентрации равновесных носителей определяется переводом атомов легирующих примесей в неактивное состояние путем вытеснения их в междоузлия.
В отличие от дивакансионной модели, характерной для слабо легированного кремния, для сильно легированного кремния предложена примесная модель ядра области скопления дефектов (ОСД), как примесно-дефектной области не имеющей потенциального барьера на границе матрица-ядро и свойства которой могут быть описаны как свойства совокупности точечных дефектов.
5.Установлено, что технология получения исходного кремния не влияет на радиационную стабильность границы раздела Si-Si02 и базовой области р-п-структур. Впервые показано, что легирование Si02 азотом в процессе высокотемпературного окисления существенно снижает эффективность генерации поверхностных состояний и скорость изменения генерационного времени жизни носителей заряда при облучении.
6.Определены параметры и пространственное распределение дефектов, образующихся в кремнии при облучении альфа-частицами изотопных источников на основе 210Ро. Изучено влияние инжекции носителей, сильного электрического поля и температуры на эффективность образования и спектр радиационных дефектов. Установлено, что в сильном электрическом поле наблюдается уменьшение эффективности введения РД. Обоснована и показана возможность применения изотопных альфа-источников в радиационной технологии производства полупроводниковых приборов.
Изучено распределение, эффективность введения и параметры дефектов в кремнии и на границе раздела Si-Si02 при облучении частицами массой ~ 100 а.е.м. и энергией до 100 МэВ. Установлено, что
при таком виде облучения, изменение электрофизических свойств кремния определяется введением областей скоплений дефектов. Проведена оценка параметров указанных ОСД.
7. Обнаружены и исследованы центры в кремнии, симметрия которых зависит от зарядового состояния. Предложен метод определения энергий активации эмиссии и захвата носителей для центров с сильным электрон-решеточным взаимодействием, основанный на измерении зависимостей амплитуды пика емкостного спектра от времени заполнения и температуры.
Впервые обнаружена структурная перестройка центров в кремнии, которая может быть описана кинетикой колебательных химических реакций. Предложена модель таких центров.
8. Впервые проведены систематические исследования концентрации активных комплексов и рекомбинационных свойств базовой области р-п-структур в диапазоне уровней легирования от 1012 см"3 до 41018 см"3. Установлены зависимости времени жизни носителей заряда от уровня легирования, температуры и предложены аналитические модели для их описания.
Научное и практическое значение работы. Научная значимость работы заключается; в установлении закономерностей и особенностей описывающих существенное изменение характера радиационного дефектообразования при переходе от слабо легированного кремния к сильно легированному кремнию - переход от низкой скорости введения дефектов в слабо легированном кремнии (10|4-П0'5 см"3) к предельной, равной скорости введения первичных смещений в сильно легированном кремнии (> 1019 см"3); в установлении особенностей влияния примесного состава (Ge, N) на эффективность аннигиляции и образования дефектов в кремнии и структурах на его основе; в экспериментальном доказательстве существования колебательной реакции в кремнии в результате процессов самоорганизации в системе дефектов при их структурной перестройке; в установлении закономерностей радиационного дефектообразования в кремнии при облучении альфа-частицами изотопных источников.
Практическая значимость заключается в разработке физических основ применения изотопных источников альфа-частиц в радиационной технологии для управления параметрами и диагностики пленарных
полупроводниковых приборов, а также при моделировании процессов радиационного дефектообразования.
Полученные экспериментальные зависимости времени жизни носителей заряда от уровня легирования базовой области (10,2+41018 см"3), температуры (78+300 К) и уровня возбуждения (10 '2+10') могут быть использованы в технологии изготовления полупроводниковых приборов. Установленные закономерности изменения электрофизических свойств границы раздела S1-S1O2 при легировании ее азотом были использованы при разработке и изготовлении радиационно-стойких приборов.
На основании экспериментальных результатов по радиационному изменению времени жизни и концентрации носителей были разработаны и изданы справочные данные по радиационной стойкости кремниевых р-п-структур, используемые при прогнозировании радиационной стойкости приборов и ИС.
Настоящая работа является обобщением результатов исследований процессов радиационного дефектообразования, проводившихся под руководством и при непосредственном участии автора по темам: "Вега-2" (1981 + 1983 гг.), "Вега-4" (1983 + 1985 гг.), "Сигма-1" + "Сигма-3" (1983 +1990 гг.), "Антей-1" (1986 + 1990 гг.), по госбюджетным НИР "Рекомбинация-1" + "Рекомбинация-3" (1976 + 1990 гг.), "Виброн-1" (19904-1995 гг.). Результаты указанных НИР внедрены в ряде организаций и предприятий.
