Процессы дефектообразования в кремнии, легированном ho, la, eu, и их взаимодействие с технологическими примесями о и с

АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

НПО «ФИЗИКА-СОЛНЦЕ» им.С.А.АЗИМОВА

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. С.В.СТАРОДУБЦЕВА

На правах рукописи

УДК 621. 315. 592

АКИМОВА ЖУМАХАН ОРАЗБАЕВНА

ПРОЦЕССЫ ДЕФЕКТООБРАЗОВАНИЯ В КРЕМНИИ,

ЛЕГИРОВАННОМ Ho, La, Eu, И ИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

С ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРИМЕСЯМИ О И С

01.04.10 – физика полупроводников

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико - математических наук

ТАШКЕНТ – 2010

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте прикладной физики при Национальном Университете Узбекистана имени Мирзо Улугбека

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук, доцент Далиев Хожакбар Султанович

:

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Шамирзаев Сезгир Хабибуллаевич доктор физико-математических наук Маматкаримов Одилжон Охундедаевич

Ведущая организация:

Ташкентский государственный технический университет

Защита состоится «______ »____________ 2010 года в ______ часов на заседании Объединенного Специального совета Д.015.08.01 при Физико-техническом институте имени С.В.Стародубцева АН РУз по адресу: Ташкент 100084, ул. Бодомзор йўли, 2 б. Тел.: (8-10-99-871) – 2331271. Факс:(8-10-99-871) - 235-42-91; E-mail: karimov@uzsci.net

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФТИ АН РУз

Автореферат разослан «________»______________2010 г.

Ученый секретарь

Специализированного совета,

д.ф.-м.н., профессор Каримов А.В.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Актуальность работы. В последние годы значительно возрос интерес к полупроводниковым материалам со специальными свойствами. Для получения таких материалов все шире используется легирование редкоземельными и переходными элементами. Это обусловлено, прежде всего, тем, что кремний леги-рованный этими примесями, используется для целого ряда специальных полупро-водниковых приборов, например, разного рода фотоприемников, солнечных эле-ментов и других устройств с повышенной радиационной и термической стабиль-ностью и т.д.

Известно, что основная часть примеси редкоземельных элементов (РЗЭ) в кремнии электрически нейтральны и в тоже время их наличие оказывает существенное влияние на процессы термического и радиационного дефекто-образования, в конечном итоге, на электрические свойства легированных кремния. Механизм влияния атомов примеси редкоземельных элементов на процессы тер-мического и радиационного дефектообразования носят противоречивый характер. Но все имеющиеся данные носят несколько разрозненный и противоречивый характер. Кроме того, большинство экспериментов по изучению электрических свойств кремния, легированного примесями редкоземельных элементов, прово-дилось с помощью эффекта Холла, измерения электропроводности, магнитной восприимчивости и других методов, чувствительность которых относительно невысока. Для более детального исследования поведения редкоземельных элемен-тов в кремнии и механизмы влияния на процессы термического и радиационного дефектообразования необходимо использование более информативных методов, обладающих высокой чувствительностью и большой разрешающей способностью (таких, как емкостная спектроскопия, электронный парамагнитный резонанс и др.).

Поэтому комплексное изучение электрических свойств также поведения атомов гольмия, лантана и европия в кремнии при термических и радиационных воздействиях с помощью нестационарной емкостной спектроскопии глубоких уровней (DLTS), методов фотоемкости (ФЕ) и ИК поглощения является безус-ловно актуальным.

Cтепень изученности проблемы. Анализ многочисленных исследований показывает, что примеси РЗЭ в кремнии, не проявляя электрической активности в объеме кремния, оказывают заметное влияние на процессы термического и радиа-ционного дефектообразования. По данным различных авторов, легирование кремния примесями редкоземельных элементов препятствует образованию как термических, так и радиационных дефектов. Но до сих пор не проведено комплексного исследования поведения примесей РЗЭ в кремнии, все данные носят противоречивый характер.

Связь диссертационной работы с тематическими планами НИР. Результаты диссертационной работы включены в научные отчеты по грантам ЦНТ РУз № п.2.1.68. «Исследование процессов формирования и развития дефектной структуры монокристаллического кремния, легированного примесями Т-ионов» и № ОТ-Ф2-081 «Изучение закономерностей дефектообразования в монокрис-таллическом кремнии с примесно-дефектными ассоциатами и динамических процессов формирования скрытых границ раздела полупроводник – диэлектрик».

Цель исследования. Основной целью настоящей диссертационной работы являлось изучение электрофизических свойств кремния, легированного Ho, La и Eu как путем диффузии, так и в процессе выращивания, а также межпримесного взаимодействия Ho, La и Eu с технологическими примесями: O и C.

Задачи исследования:

1. Исследовать электрофизические свойства образцов Si, Si и Si, а также изучить энергетический спектр глубоких уровней в Si, Si и Si, легированных как диффузионным путем, так и при выращивании.

2. Изучить роль гольмия, европия и лантана в процессах термического дефектообразования в кремнии.

3. Исследовать влияние атомов гольмия, европия и лантана на образование радиационных дефектов в кремнии, облученном -квантами.

4. Изучить взаимодействие атомов гольмия, европия и лантана с технологическими примесями (О и С) в кремнии с помощью ИК спектроскопии.

Объект и предмет исследования. Объектом диссертационного исследования являются образцы исходного монокристаллического кремния, выращенного методом Чохральского и бестигельной зонной плавки, Si, легированного Ho, La и Eu диффузионным методом и в процессе выращивания кремния из расплава. Предметом исследования является механизм влияния примесей РЗЭ на процессы термического и радиационного дефектообразования в кремнии.

Методы исследований. Для проведения исследований использовались методы нестационарной емкостной спектроскопии глубоких уровней DLTS, фотоемкость и ИК поглощения.

Гипотеза исследования. Изменение эффективности образования глубоких уровней в Si легированном Ho, La и Eu в зависимости от технологических факторов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Влияние атомов примесей Ho, La и Eu в кремнии введенных путем диффузии приводит к уменьшению концентрации оптически активного кислорода на 10-15% в зависимости от концентрации примеси РЗЭ.

2. Эффект уменьшения концентрации акцепторного центра – дефекта термо-обработки Ec-0.23 эВ при введении атомов примесей Ho, La и Eu в Si и связанных с ними изменении удельных сопротивлений легированного образцов.

3. Влияние наличие в объеме Si атомов примесей Ho, La и Eu на эффективность образование радиационных дефектов в образцах Si облу-ченных -квантами.

Научная новизна:

1. Впервые выполнено комплексное исследование свойств кремния с приме-сями гольмия, европия и лантана и установлено, что введение этих примесей путем высокотемпературной диффузии приводит к существенному изменению элек-трофизических свойств кремния.
2. Установлена взаимосвязь эффективности образования уровней Ho, La и Eu в кремнии с технологическими факторами.
3. Впервые с помощью емкостной спектроскопии определен энергетический спектр ГУ, в кремнии при диффузионном введении атомов примесей Ho, La и Eu. Обнаружено, что диффузионное введение этих примесей приводит к снижению эффективности образования термических и радиационных дефектов и стабилизации параметров кремния.
4. Установлено, что в кремнии, легированном примесями РЗЭ при выращи-вании, ГУ в заметной концентрации не наблюдается, но последующая высоко-температурная обработка в интервале температур 1000-1200оС приводит к активации атомов РЗЭ и образованию ряда глубоких уровней.

Научная и практическая значимость результатов исследования. Проведена оптимизация параметров кремния, легированного РЗЭ с помощью различных технологических процессов, что может быть использовано для создания различных полупроводниковых приборов с надежными и воспроизводимыми параметрами.

Полученные результаты по повышению термической стабильности и радиационной стойкости параметров кремния путем введения атомов Ho, La и Eu могут быть использованы в качестве рекомендаций при изготовлении полупроводниковых приборов.

Реализация результатов. Полученные в диссертационной работе оригинальные результаты могут явиться основой для разработки радиационно-стойких и термически стабильных полупроводниковых приборов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на объединенном семинаре Спецсовета при Физико-техническом институте НПО «Физика-Солнце» АН РУз, а также на Респуб-ликанских и международных конференциях: «Неравновесные процесссы в полупроводниках и в полупроводниковых структурах» (Ташкент, 2009; «Прик-ладные проблемы физики полупроводников» (Ташкент,1999); «Проблемы полупр-оводникового материаловедения» (Андижан, 2000); «Рост, свойства и применение кристаллов» (Нукус, 2005); Международной конференции «Неравновесные процессы в полупроводниках и в полупроводниковых структурах» (Ташкент, 2007); «Олима аёлларнинг Фан-техника тараётида тутган ўрни» (Ташкент, 2008); «Структурна релаксацiя у твердих тiлах», Вiнниця, (Украина, 2009 pik).

Опубликованность результатов. По материалам диссертации опубли-кованы 14 научных работ, из них 4 статьи, 10 тезисов.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы из 104 наименований. Диссертация изложена на 114 страницах, включая 21 рисунков, 5 таблицы.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, изложены цель и задачи, показаны научная новизна, практическая значимость работы и представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен обзор литературных данных по современному состоянию исследований кремния, легированного редкоземельными элементами. Проведен анализ свойств кремния, легированного редкоземельными элементами в процессе выращивания. Анализируются также результаты исследования свойств кремния, легированного редкоземельными элементами диффузионным методом. Выполнен обзор литературных данных по влиянию неконтролируемых техноло-гических примесей на свойства кремния, легированного редкоземельными элементами. Проведен анализ результатов по изучению влияния различных факторов на электрофизические свойства кремния с примесями РЗЭ.

Во второй главе описана методика эксперимента и технологии изго-товления образцов. Рассмотрены теоретические основы емкостной спектроскопии глубоких уровней. Описаны нестационарные процессы в барьерных структурах и p-n-переходах и перезарядка ГУ с изменением температур. Приведены методы определения параметров глубоких уровней с помощью DLTS. Также подробно описаны методики измерения DLTS и измерения удельного сопротивления с помощью четырехзондового метода. Описана методика измерения спектров ИК-поглощения. Для определения концентрации кислорода и углерода в кремнии использовался усовершенствованный вариант инфракрасного спектрофотометра SPECORD - 75 IR, работающий в двухлучевой схеме. Спектрофотометр записывает пропускание измеряемого образца как функцию волнового числа в ИК области спектра о 1200 до 400 см-1. Также подробно описываются технологии очистки образцов, проведения термических обработок и изготовления диодных структур.

Третья глава посвящена исследованию свойств кремния, диффузионно-легированного примесями Ho, La и Eu. В данной главе приведены результаты комплексных исследований электрофизических свойств Ho, La и Eu. В качестве исследуемых образцов использовался монокристаллический кремний n-типа проводимости, выращенный методом Чохральского (кислородный кремний) и бестигельной зонной плавки (бескислородный кремний) и легированный атомами РЗЭ из расплава в процессе выращивания. Удельное сопротивление образцов составляло 5100 Ом см, размеры - 14 х 7 х 1 см3, ориентация в плоскости .

Высокотемпературные обработки (ВТО) исследуемых образцов проводилась в предварительно протравленных в HF, промытых в бидистиллированной воде и отожженных в течение нескольких часов при 1250 С трубах из оптически чистого кварца в печи сопротивления типа СУОЛ. Температура в печи контролировалась с помощью калиброванной платина-платинородиевой термопарой с точностью + 5 С. Термообработка образцов проводилась в интервале температур 9001200 С в течение 0.5100 часов. Охлаждение образцов после высокотемпературной обра-ботки проводилось с тремя различными скоростями.

Для измерения спектров ИК поглощения с целью контроля содержания кислорода и углерода образцы механически полировались. После диффузионного легирования образцов кремния Ho, La и Eu при 1200 С в течение 50 часов проверялось их удельное сопротивление путем измерения четырехзондовым методом и сопоставлялось с исходным значением для образцов как n- так и p-типа. Измерения проводились на четырех сериях образцов кремния с разными типами проводимости.

Результаты этих измерений показали, что во всех образцах n-типа после легирования гольмием наблюдается изменение типа проводимости и резкое увеличение величины удельного сопротивления. А в образцах p-типа значения удельного сопротивления уменьшаются незначительно, но при этом тип проводимости остается неизменным.

Для образцов кремния, диффузионно-легированного гольмием, а также подвергнутых контрольной термообработке проводились измерения удельного сопротивления по глубине. Показано, что профиль распределения удельного сопротивления в образцах Si не описывается erfc- функцией, а состоит из двух участков: в начале наблюдается резкий рост до глубины ~ 90 мкм, далее значение стабилизируется и заметного изменения с глубиной не наблюдается. Для сопоставления с легированными образцами проводилась контрольная термообработка таких же образцов с исходным удельным сопротивлением 15 Ом см как n- так и p-типа проводимости при 1200 С в течение 42 часов. Измерения проводились на трех образцах разных типов. Результаты этих измерений показали, что тип проводимости n-Si и p-Si при контрольной термообработке не изменяется. Но при этом наблюдается для образцов n-типа незначительное уменьшения величины удельного сопротивления, в то время как для образцов p-типа, наоборот, наблюдается некоторое увеличение удельного сопротивления.

Параллельно на образцах той же серии проводились измерения спектров ИК поглощения. Для исследований в качестве исходных образцов использовался кремний n и p-типа проводимости, выращенный методом Чохральского с концен-трацией оптически активных кислорода и углерода N = 61017 1.21018 см-3 и N = 21016 см-3, соответственно. Удельное сопротивление исходных образцов составляло от 5 Омсм до 100 Омсм, толщина полированных образцов, в зависи-мости от поставленной задачи, составляла 11.5 мм.

Оценка содержания кислорода N0опт и углерода Ncопт производилась по спектрам ИК поглощения в области 1100 см-1 (кислородная полоса) и 610 см-1 (углеродная полоса), измеренным на инфракрасном спектрофотометре Specord - IR-75 в двухлучевой схеме при 300 К. В качестве контрольного (эталонного) образца использовался полированный бескислородный кремний той же толщины, что и исследуемый образец с N0опт 1016 см-3, Nсопт =51015 см-3. После измерения N и N в исходных образцах в них вводился гольмий диффузионным методом из напыленного в вакууме слоя металического гольмия высокой чистоты.

После диффузии гольмия в этих же образцах измеряли N и N методом ИК поглощения. Анализ этих результатов показывает, что после введения гольмия как в n-, так и p-Si наблюдается уменьшение концентрации оптически активного кислорода на 1020 % по сравнению с контрольными образцами, термообрабо-танными при тех же условиях, что и диффузия гольмия. Также снимались ИК спектры на длине волны = 16.4 мкм, соответствующей поглощению оптически активного углерода в кремнии. В контрольных и легированных образцах эффекта уменьшения оптически активного углерода не наблюдалось.

Изучались также спектры ИК поглощения в исходных образцах кремния, легированного гольмием в процессе выращивания из расплава и после различных циклов высокотемпературных обработок. Результаты измерений спектров ИК поглощения до и после термообработки свидетельствуют об увеличении концен-трации оптически активного кислорода в образцах n-Si в результате ВТО. С увеличением температуры обработки эффект увеличения сильнее. Так, например, ВТО образцов n-Si при 1000 С с последующей закалкой приводит к увеличению концентрации оптически активного кислорода на 810%, и после ВТО при Т=1200 С с последующей закалкой достигает 1520%.