Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | 3 | Складн системи процеси № 1, 2003 СКЛАДН ФЗИЧН СИСТЕМИ ПРОЦЕСИ СКЛАДН ФЗИЧН СИСТЕМИ ПРОЦЕСИ МОДЕЛ УТВОРЕННЯ НИЗЬКОТЕМПЕРАТУРНИХ ТЕРМОДОНОРВ У МОНОКРИСТАЛАХ КРЕМНЮ (Огляд) Бахрушин В.к., Петрова С.В.

(Гумантарний унверситет "Запорзький нститут державного та мунципального управлння", 69002, Запоржжя, вул. Жуковського, 70-б) У статт розглядаються модел та основн характеристики утворення низькотемпературних кисневих термодонорв у монокристалах напвпровдникового кремню, а також вплив легувальних елементв зовншнх факторв на ц процеси.

В статье рассматриваются модели и основные характеристики образования низкотемпературных кислородных термодоноров в монокристаллах полупроводникового кремния, а также влияние легирования и внешних факторов на эти процессы.

The models and main characteristics of low-temperature oxygen thermal donor formation in semiconductor silicon monocrystals and effect of alloying and external influences on these processes are discussed.

Вступ зькотемпературних термодонорв у кремКисень основною фоновою домш- н, механзмв моделей х формування.

кою у всх монокристалах кремню, що вирощують за методом Чохральського [1, 1. Основн модел низькотемперату2]. Його концентраця зазвичай знахо- рних кисневих термодонорв у кремн диться в межах вд 11017 до 21018 см-3 в Присутнсть у кремн кисню виклика багатьох випадках перевищу концентра- утворення термодонорв 1-го 2-го роду ц всх нших легувальних та фонових пд час вдпалу при температурах 350 - домшок. Технологя процесу виготов- 500 оС 600 - 800 оС [1 - 3]. пх концентралення напвпровдникових приладв ц залежать вд вмсту мжвузловинного повТязана з використанням рзномантних кисню в кристал, температури та триватермчних обробок. Вдомо, що навть ко- лост вдпалу сягають 11014 - 51016 см-3.

роткочасн вдпали при порвняно низь- На першому етап вивчення низькотеких температурах призводять до утворен- мпературних термодонорв (термодонори ня електрично активних центрв за участю 1 роду, термодонори I) було встановлеатомв кисню, як можуть стотно змню- но, що максимальна концентраця почавати фзичн властивост кремню. Ефек- ткова швидксть утворення термодонорв тивнсть введення цих центрв залежить I роду пропорцйн, вдповдно, 3-й 4-й вд типв та концентрацй нших домшок, ступеням концентрац кисню, а х утвощо мстить кристал, передстор зразкв рення супроводжуться зменшенням конта умов термчних обробок. центрац оптично активного мжвузлоНезважаючи на велику кльксть робт, винного кисню [4]. Тому припускали, що присвячених термодонорам, механзм х вони комплексами SiО4, як виникають утворення залишаться не повнстю на початковому етап розпаду пересичез'ясованим. ного твердого розчину кисню у кремн.

Метою дано роботи був аналз наяв- Але таке припущення не пояснювало елених даних про природу властивост ни- ктричну активнсть термодонорв. Крм Складн системи процеси № 1, того, звичайн концентрац термодонорв к значення коефцнту дифуз. Крм то1-го роду на клька порядкв вищими, го враховують можливсть стотного нж це виплива з теор. Це можна пояс- впливу на величину коефцнта дифуз нити за допомогою припущення, що кое- анзотропних далекодючих полв пружфцнт дифуз кисню стотно бльшим них напружень, створених деформацями за значення, що отримують екстраполяц- рештки поблизу атомв кисню. Згдно з ю високотемпературних даних [5]. [9, 10] термодонори також утворюють мВдповдно до сучасних уявлень [1, 4], кроскупчення, нйн розмри яких сягатермодонорами I роду понад десять ти- ють клькох сотень ангстрем. Локальна пв близьких за властивостями двозаряд- концентраця термодонорв у них може них гелподбних центрв (ТД-1: A, B, C, сягати 1019 см-3 [11].

Е). Вони мстять до шстнадцяти атомв Припускають [4, 12], що центрами закисню мають енерг онзац 0,05 - родження низькотемпературних термодо0,07 еВ для ТД0 0,12 - 0,16 еВ для ТД+ норв електрично SiOn комплекси, що станв, вдповдно. Величина енерг он- мстять три або чотири атоми кисню зац залежить вд складу дефекту змен- утворюються пд час охолодження крисшуться з ростом числа атомв кисню у талв псля вирощування та на початку х комплекс. Переважний тип дефектв ви- вдпалу при температурах генерац терзначаться концентрацю кисню у вихд- модонорв. Формування термодонорв них зразках та умовами термчно оброб- вдбуваться шляхом послдовного прики. На початковй стад генеруються пе- днання до цих комплексв рухливих одиреважно три перших типи термодонорв з ниць, що мстять один атом кисню , можмнмальною клькстю атомв кисню, як ливо, деяк нш атоми або точков дефекформують у забороненй зон рвн Ес - ти. Згдно з [13] такими одиницями мо0,156 еВ, Ес - 0,150 еВ Ес - 0,144 еВ. Пе- жуть бути комплекси, що складаються з ретин захвату електронв для них склада одного атому кисню ваканс або власноблизько 10-13 см-2 [6]. Вс вони бстаб- го мжвузловинного атому кремню. За льними дефектами, тобто можуть зворот- даними [14] припущення про входження но змнювати свою просторову й елект- власних точкових дефектв складу цих ронну структуру, мають негативну коре- комплексв не узгоджуться з деякими ляцйну енергю [7] можуть знаходитися даними про вплив опромнення на утвоу двох конфгурацях - А (глибокий до- рення термодонорв, а рухливими одининор) В (подвйний щльний донор). З цями моврно впроваджен атоми киспдвищенням часу вдпалу домнуючими ню, що знаходяться у незвТязаному з рестають дефекти, що мстять бльшу кль- шткою збудженому стан мають пдвиксть атомв кисню [8]. Енерг глибоких щен коефцнти дифуз.

донорних рвнв пдвищуються з ростом Низькотемпературн термодонори почисла атомв кисню в комплекс дорв- роджують пки нфрачервоного поглинюють вдповдно Ec - 0,75 еВ, Ec - 0,48 нання, зумовлен електронними збудженеВ Ec - 0,29 еВ. нями нейтрального стану ТД0 (300 - Сучасн модел [5, 9] вважають, що с- см-1) однократно зарядженого стану ТД+ тотну роль в утворенн термодонорв гра (1200 - 1600 см-1) [4, 14], а також максинаявнсть у вихдних кристалах мкро- муми внутршнього тертя з енергями акфлуктуацй концентрац кисню (МФК) з тивац 1,41 - 1,44; 1,53 - 1,55 та 1,65 - перодом порядку 1 - 700 нм, що утворю- 1,68 еВ [13].

ються внаслдок нестйкост рвномрного За даними ЕПР спектроскоп терморозподлу атомв кисню та х комплексв. донорам першого роду вдповдають паЗавдяки ним кисню вже у вихдних крис- рамагнтн центри NL8, NL9, NL10 [4].

талах знаходяться достатньо близько один Ус вони виявляють ромбчну симетрю, а до одного, що усува необхднсть вико- перш також помтну анзотропю gристання припущення про надмрно вели- фактора. Припускають, що до складу NL Складн системи процеси № 1, центрв можуть входити атоми бора, а до рухливий комплекс, що мстить один атом складу NL10 центрв - алюмню. Центри кисню. Припускають, що електрично акNL8 вдповдають однократно онзова- тивн комплекси можуть утворюватися ному стану двозарядних термодонорв для будь-яких n, що перевищують певне (ТД-1)+ мають симетрю C2v. критичне значення, яке найбльш моврно Короткотривал вдпали за температу- дорвню 3, 4 або 5. Найбльш стйкими ри 550 оС призводять [2, 4] до зникнення комплекси, що мстять 5 атомв кисню.

низькотемпературних термодонорв. Але Для них енергя звТязку атома кисню доподальша термчна обробка за бльш ви- рвню приблизно 0,73 еВ. З збльшенням соких температур сприя утворенню но- клькост атомв кисню у комплекс ця вевих типв кисневих дефектв (термодоно- личина спада за n 10 виходить на рв другого роду), що також виявляють сталий рвень ~0,2 еВ.

донорн властивост. Альтернативна модель утворення терПроцес вдпалу низькотемпературних модонорв [4] припуска, що цей процес термодонорв зазвичай багатостадйним. вдбуваться шляхом приднання мжвузо При температурах 500 - 525 С початко- ловинних атомв кремню до комплексв з вий (перши 10 - 40 хв.) етап вдпалу тер- трьох атомв кисню. У цьому випадку модонорв можна описати [8] виразом процес може бути записаний у вигляд та ко системи квазхмчних реакцй f = A exp + B, (1) (-Kt ) O3 + Sii O3Sii,1 = TD -1 ;

( ) де f - частка термодонорв, що не розпаOSii,1 + Sii OSii,2 = TD -1 ;

( ) 3 (4) лися, К = 710-4 с-1, що вдповда першо.............................

му порядку квазхмчно реакц, яка опису процес. Спочатку зникають термодо- OSii,n-1 + Sii OSii,n = TD -1.

( ) 3 n нори, що мсять максимальну кльксть атомв кисню.

При низькотемпературних вдпалах Температурна залежнсть константи спостергаться також утворення ряду одшвидкост реакц вдповда закону Аренозарядних донорних центрв з енергями нуса онзац близько 30 меВ [4]. Природа та механзми утворення цих дефектв залиK = K0 exp / kT, (2) (-E ) шаються незТясованими. Вдомо, що вони зТявляються при тривалих (до 500 год.) вдпалах при 450 оС, парамагнтними де Е - енергя активац, значення яко за центрами з почти зотропними gрзними даними може дорвнювати вд 0,факторами повТязан з присутнстю мждо 4,3 еВ (у бльшост випадкв вд 1,5 до 2,5 еВ, що вдповда гпотетично при- вузловинного кисню.

скоренй та нормальнй дифуз кисню) 2. ВПЛИВ ЗОВНШНХ УМОВ НА [4].

У межах квазхмчного пдходу [4] ре- УТВОРЕННЯ ТЕРМОДОНОРВ акц утворення та дисоцац термодоно- Ефективнсть утворення кисневих термодонорв в област 450 оС стотно зарв можна описати системою рвнянь лежить вд попередньо термообробки (ПТО) кристалу. Характер впливу стоOn-1 + R O* ;

n (3) тно залежить вд змни розподлу атомв O* On + Sii, n кисню [4, 9, 10]. При цьому слд враховувати, що ПТО можуть призводити до де O* та On - вдповдно, електрично ак- утворення або розчинення центрв зароn дження термодонорв; утворення або розтивний та електрично нейтральний комчинення мкропрециптатв кисню, як не плекси, що мстять n атомв кисню, R - Складн системи процеси № 1, центрами зародження термодонорв, але концентрацями кисню формування впливають на загальну концентрацю центрв генерац термодонорв йде повмжвузловинного кисню у кристал; поси- льнше при попереднй термообробц лення або послаблення мкронеоднорд- можливе пдвищення х концентрац, що ност розподлу кисню та полв пружних призводить до зростання швидкост гененапружень. рац термодонорв.

За даними [4] вдпал протягом 2 год. Аналогчною може бути причина при 900 оС сприя прециптац кисню впливу попередньо термообробки на хапризводить до збльшення концентрац рактер змни швидкост генерац термоцентрв зародження термодонорв пд- донорв пд час вдпалу при 450 оС [9]. У вищення початково швидкост х генера- вихдних (не вдпалених) зразках швидц. ПТО при 1350 оС призводить до роз- ксть генерац термодонорв зменшуться чинення центрв зародження термодоно- з часом виходячи на насичення при трирв, уповльню х генерацю та зменшу валост вдпалу понад 5 - 6 годин. У зразмаксимальну концентрацю. Вдпал при ках, що пройшли попередню термообробо 1100 С може сприяти утворенню стаб- ку при 900 оС протягом 30 хв., швидксть льних центрв зародження термодонорв. генерац термодонорв у початковий моЗа даними [10] ПТО при 800 оС упов- мент вдпалу близька до нуля, потм вона льню процеси утворення термодонорв. зроста, залишаючись при цьому менше Основною причиною цього вважають швидкост х генерац в невипалених зменшення клькост зародкв майбутнх кристалах, виходить на насичення за термодонорних комплексв у форм SiOm-1 тривалост вдпалу понад 2 - 3 години.

(в модел Кайзера-Фриша-Рейса). Таке поводження можна пояснити тим, о Попереднй вдпал при 900 С протя- що попередня термообробка знижу конгом 30 хв. знижу швидксть генерац центрацю центрв зародження термодотермодонорв, а також пдвищу енерг норв у кристал. Однак у процес вдпалу активац х генерац та вдпалу до 2,3 - при 450 оС формуються нов центри заро2,5 еВ, що близько до енерг активац дження швидксть генерац термодонодифуз мжвузловинного кисню в крем- рв поступово зроста, доки процеси генен. На думку авторв [12, 16], це зумовле- рац центрв зародження х зникнення но тим, що ПТО призводить у цьому ви- внаслдок формування термодонорв не падку до зниження частки атомв кисню, урвноважать один одного.

що беруть участь в утворенн термодоно- Дан про вплив опромнення на швидрв, внаслдок х входження до складу ки- ксть утворення термодонорв у кремн сневих прециптатв, зникнення мкро- суперечлив. стотний вплив на генерацю флуктуацй концентрац кисню термодонорв можуть виявляти точков повТязаних з цим зменшення концентрац дефекти, що вводяться за допомогою центрв зародження термодонорв та пру- опромнення, а також гдростатичний жних напружень. За даними [12], таке тиск. У робот [17] дослджувався вплив зниження спостергаться тльки для кри- опромнення кремню онами кисню на сталв з високою (понад 71017 см -3) кон- формування донорних центрв у темперацентрацю кисню. У кристалах з меншою турному нтервал 350 - 550 оС. Вдзначаконцентрацю кисню швидксть генерац ться стотне значення однордност розтермодонорв псля попередньо термооб- подлу утворюваних дефектв. Термообробки пдвищуться. Це повТязане з тим, робка онно-опромнених зразкв призвощо у кристалах з високими концентраця- дить до пдвищення концентрац вльних ми кисню максимальна концентраця електронв. При цьому з ростом дози центрв зародження досягаться в процес опромнення до 11016 см -2 спостергатьохолодження вихдних кристалв псля ся зростання концентрац донорв. Це повирощування на початкових стадях в'язано з участю власних точкових дефектермообробки. У кристалах же з малими тв, що утворюються пд час опромню Складн системи процеси № 1, вання, в формуванн термодонорв. При- 2,3107 с-1 ) без ПТО Ea = 2,3 - 2,47 еВ;

скорене формування термодонорв спо- ( = 1,81011 - 2,41012 с-1) псля ПТО-800.

стергаться також при вдпал за умов Таке збльшення неможливо пояснити високого гдростатичного тиску внаслдо- зменшенням концентрац зародкв у викзбльшення концентрац центрв заро- гляд SiOm-1 преципiтатв в ход ПТО-800.

дження термодонорв [17].

Pages:     | 1 | 2 | 3 |    Книги по разным темам