Введение к работе
Актуальность темы.
Стремительное развитие микроэлектроники диктует непрерывное повышение требований к ее элементной базе, в частности, к параметрам исходных материалов и совершенствованию используемых технологических операций. Это, в свою очередь, стимулирует исследования в области физики и материаловедения полупроводников, физики дефектов, характеризации технологических процессов. И хотя спектр материалов для микроэлектроники довольно широк, однако в основе современного производства лежат кремниевые технологии. Этим и объясняется неугасающий интерес к более глубокому исследованию этого материала. В связи с одновременным повышением требований к качеству исходного материала, уменьшению содержания в нем дефектов и использованием достаточно больших доз облучения в современных ионно- и электронно-лучевых технологиях и диагностике, которые могут стать источником возникновения дефектов и примесей, все большее значение приобретают исследования поведения малых концентраций дефектов кристаллической структуры, их взаимодействия и эволюции в процессе различных обработок, поскольку хорошо известно, что электрические свойства полупроводниковых кристаллов очень чувствительны к наличию в них даже небольших количеств дефектов и примесей.
Большинство дефектов, оказывающих влияние на электрические свойства кристаллов, образуются из простейших точечных дефектов, а именно - собственных точечных дефектов кристаллической структуры (вакансий и междоузлий) и/или изолированных атомов примеси. Очевидно, что изучение реакций, протекающих между этими
простейшими дефектами, является основой для исследования характеристик более сложных комплексов и дефектов, определяющих электрические свойства полупроводника.
Процессы, происходящие при достаточно высоких температурах в условиях, близких к равновесным, изучены довольно хорошо (геттерирование, высокотемпературная диффузия, термическое окисление) и общие закономерности происходящих при этом реакций хорошо известны. Миниатюризация полупроводниковых приборов с необходимостью приводит к понижению температуры технологических процессов, что, в свою очередь, существенным образом изменяет условия протекания реакций. И хотя изучение общих закономерностей взаимодействия дефектов в таких условиях не остались вне интереса исследователей, однако, в настоящий момент еще рано говорить о полном решении данной проблемы. Например, процессы диффузии даже для наиболее изученных дефектов, таких как вакансии, междоузлия, водород, при низких температурах и в неравновесных условиях исследованы крайне недостаточно.
Из всего многообразия дефектов кристаллической структуры особое внимание уделяется тем, которые вносят глубокие уровни в запрещенную зону полупроводника, так как даже относительно небольшие концентрации таких центров с ГУ могут оказывать существенное влияние на свойства полупроводника. В отличие от центров с мелкими уровнями, теоретическое описание глубоких уровней сталкивается со значительными трудностями. А изучение процессов их формирования и перераспределения, а также эволюции в результате взаимодействия друг с другом может дать ценную информацию об их структуре и природе.
Вышеизложенное и определяет актуальность исследования взаимодействия дефектов, вносящих центры с ГУ в запрещенную зону полупроводника.
Цель работы
Основной задачей диссертационной работы было изучение закономерностей взаимодействия, перераспределения и трансформации примесей, точечных и линейных дефектов в кремнии при низкотемпературных обработках, в число которых входили жидкостное химическое травление, облучение электронами и ионами, пластическая деформация. Для решения этой задачи было необходимо провести:
Исследование особенностей взаимодействия атомарного водорода, введенного из различных источников при низких температурах, с дефектами кристаллической структуры и примесями, вносящими центры с ГУ в запрещенную зону кремния.
Исследование влияния облучения электронами с подпороговыми энергиями на свойства приповерхностных слоев кремния. Исследование характеристик вносимых дефектов для определения их природы. Изучение механизмов дефектообразования.
Исследование изменений свойств приповерхностных слоев кремния в условиях генерации собственных точечных дефектов при реактивно-ионном травлении. Использование указанной обработки для изучения взаимодействия при низких температурах собственных точечных дефектов с примесями и дефектами, содержащимися в кристалле.
Исследование закономерностей образования энергетического спектра кристаллов кремния с дислокациями от условий деформации и примесного состава кристалла. Исследование свойств "чистых" дислокаций. Определение пространственного распределения "дислокационных" центров на основе изучения кинетики их заполнения носителями заряда.
Научная новизна
Научная новизна данной работы состоит в следующем:
Впервые показано, что пассивация атомарным водородом дефектов вакансионной природы и примеси золота протекает через ряд последовательных стадий, которые сопровождаются последовательным присоединением водорода к этим дефектам и образованием целого ряда водородосодержащих комплексов, некоторые из которых обладают собственной электрической активностью. Полученные данные показывают, что процесс пассивации центров с ГУ может носить весьма сложный характер.
Показано, что при воздействии низкоэнергетичных электронных пучков происходят изменения свойств приповерхностных слоев кремния, обусловленные генерацией собственных точечных дефектов и сопровождающиеся образованием стабильных дефектов вакансионной природы. Наряду с процессами дефектообразования наблюдалось радиационно-стимулированное проникновение водорода на глубину, превышающую область проникновения электронного пучка, сопровождающееся взаимодействием с дефектами и примесями с образованием электрически активных водородосодержащих комплексов.
Показано, что при низкотемпературном реактивно-ионном травлении генерация вакансий и междоузлий приводит к формированию ряда дефектов в приповерхностных слоях кристалла, распределение которых определяется диффузией вакансий. Генерация собственных точечных дефектов при РИТ приводит к перераспределению золота в результате его взаимодействия с вакансиями, тогда как перестройка "дислокационных" центров обусловлена, по всей видимости, их взаимодействием с междоузлиями.
Показано, что электрическая активность коротких дислокационных петель очень низка или отсутствует совсем, а ее рост в процессе увеличения пробега дислокаций в значительной мере определяется примесным составом кристалла. Из анализа кинетики заполнения
показано, что дислокационные уровни являются специфическими комплексами точечных дефектов, формирующихся в процессе деформации и последующего отжига и расположены на расстояниях в несколько микрометров от дислокации. Предлагается способ восстановления их пространственного распределения.
Практическая значимость
Практическая значимость работы состоит в следующем:
полученные результаты позволяют оптимизировать параметры электронного облучения для устранения нежелательных изменений свойств приповерхностных слоев кристалла.
перераспределение примеси золота при воздействии электронных пучков может быть использовано как способ низкотемпературного геттерирования рекомбинационно активных дефектов.
исследования процессов образования, взаимодействия и трансформации дефектов кристаллической структуры при воздействии электронных и ионных пучков позволяют оптимизировать условия РИТ с целью управления электрическими свойствами полупроводника.
показано, что эффект дальнодействия при РИТ можно использовать для подавления нежелательной электрической активности дислокаций.
продемонстрирована пассивация электрической активности радиационных дефектов и золота посредством радиационно-стимулированной диффузии водорода.
Основные положения, выносимые на защиту
взаимодействие водорода с дефектами вакансионной природы и примесью золота проходит через промежуточные стадии последовательного присоединения атомов водорода к дефекту, при этом некоторые из образующихся водородосодержащих комплексов обладают собственной электрической активностью.
анализ профилей пространственного распределения водородосодержащих комплексов позволяет определять число атомов водорода, входящих в их состав и параметры реакции водорода с соответствующими дефектами.
облучение низкоэнергетичными электронами стимулирует образование вакансионных комплексов в приповерхностных слоях, а также проникновение водорода в кристалл, сопровождающееся его взаимодействием с примесями и радиационными дефектами.
поток собственных точечных дефектов при РИТ стимулирует перераспределение примесей и дефектов в приповерхностной области и образование новых дефектов вакансионной природы.
оптическое возбуждение подавляет образование вакансионных комплексов при облучении электронами с высокой энергией и стимулирует проникновение водорода за счет избыточного присутствия неравновесных носителей заряда.
большинство электрически активных центров с ГУ в пластически деформированных кристаллах кремния связаны не с собственно дислокациями, а с комплексами точечных дефектов, расположенных в дислокационной атмосфере.
способ определения пространственного распределения электрически активных центров в пластически деформированных кристаллах кремния.
Апробация работы.
Основные результаты работы доложены на следующих конференциях:
-
Всесоюзная конференция "Физические методы исследования поверхности и диагностика материалов и элементов вычислительной техники", Кишинев, 1986
-
Международная конференция "Свойства и структура дислокаций в полупроводниках", Москва, 1986
-
VIII International School on Defects in Crystals, Szcryrk, Poland, 1988
-
15th International Conference on Defects in Semiconductors, Budapest, Hungary, 1988
-
VI International School on Physical Problems in Microelectronics. Varna. Bulgaria. May 1989
-
Всесоюзный постоянный научно-технический семинар "Низкотемпературные технологические процессы в электронике", Ижевск, 1990
-
Российская конференция "Микроэлектроника-94", Звенигород, 1994
-
18th International Conference on Defects in Semiconductors, Sendai, Japan, 1995
-
VII International Conference on Shallow-Level Centers in Semiconductors Amsterdam, The Netherlands, 17-19 July 1996.
-
International Workshop BIADS ' 96, Spain, 1996
1 l.X Российсий симпозиум по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел. Черноголовка. Июнь 1997.
12.19th International Conference "Defects in Semiconductors", Aveiro, Portugal, 1997.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из
введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы
(/Ду наименований). Объем диссертации составляет страниц,
в том числе 40 рисунков и 4 таблицы.
Похожие диссертации на Взаимодействие точечных и протяженных дефектов в кремнии при низкотемпературных обработках
