русская версия
реклама
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 АВТОРЕФЕРАТ 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: : Официальные оппоненты: Ведущая организация: кандидат физико-математических наук, доцент Далиев Хожакбар Султанович доктор физико-математических наук, профессор Шамирзаев Сезгир Хабибуллаевич доктор физико-математических наук Маматкаримов Одилжон Охундедаевич Ташкентский государственный технический университет Защита состоится «______ »____________ 2010 года в ______ часов на заседании Объединенного Специального совета Д.015.08.01 при Физикотехническом 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. 2 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 легированный этими примесями, используется для целого ряда специальных полупроводниковых приборов, например, разного рода фотоприемников, солнечных элементов и других устройств с повышенной радиационной и термической стабильностью 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 дефектообразования, в конечном итоге, на электрические свойства легированных кремния. Механизм влияния атомов примеси редкоземельных элементов на процессы термического 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, проводилось с помощью эффекта Холла, измерения электропроводности, магнитной восприимчивости и других методов, чувствительность которых относительно невысока. Для более детального исследования поведения редкоземельных элементов 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 безусловно 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 радиационного 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 монокрис3 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<Ho>, Si<Eu> и Si<La>, а также изучить энергетический спектр глубоких уровней в Si<Ho>, Si<Eu> и Si<La>, 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 термообработки 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 примесями гольмия, европия и лантана и установлено, что введение этих примесей путем высокотемпературной диффузии приводит к существенному изменению электрофизических свойств кремния. 2. Установлена взаимосвязь эффективности образования уровней Ho, La и Eu в кремнии с технологическими факторами. 4 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 выращивании, ГУ в заметной концентрации не наблюдается, но последующая высокотемпературная 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 радиационностойких и термически стабильных полупроводниковых приборов. Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на объединенном семинаре Спецсовета при Физикотехническом институте НПО «Физика-Солнце» АН РУз, а также на Республиканских и международных конференциях: «Неравновесные процесссы в полупроводниках и в полупроводниковых структурах» (Ташкент, 2009; «Прикладные проблемы физики полупроводников» (Ташкент,1999); «Проблемы полупроводникового 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 тараққётида тутган ўрни» (Ташкент, 2008); «Структурна релаксацiя у твердих тiлах», Вiнниця, (Украина, 2009 pik). Опубликованность результатов. По материалам диссертации опубликованы 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. 5 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 технологических 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 изготовления образцов. Рассмотрены теоретические основы емкостной спектроскопии глубоких уровней. Описаны нестационарные процессы в барьерных структурах и pn-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 ИКпоглощения. 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, диффузионнолегированного 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 <111>. Высокотемпературные обработки (ВТО) исследуемых образцов проводилась в предварительно протравленных в HF, промытых в бидистиллированной воде и отожженных в течение нескольких часов при 1250 0 С трубах из оптически чистого кварца в печи сопротивления типа СУОЛ. Температура в печи контролировалась с помощью калиброванной платина-платинородиевой термопарой с точностью + 5 0 С. Термообработка образцов проводилась в интервале температур 9001200 0 С в течение 0.5100 часов. Охлаждение образцов после высокотемпературной обработки 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 0 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. 6 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<Ho> 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 0 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 концентрацией оптически активных кислорода и углерода N опт = 6∙1017 1.2∙1018 см-3 и 0 N опт = 2∙1016 см-3, соответственно. Удельное сопротивление исходных образцов 0 составляло от 5 Ом∙см до 100 Ом∙см, толщина полированных образцов, в зависимости 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 - IR75 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 =5∙1015 см-3. После измерения N опт и 0 опт N 0 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 опт и N опт методом 0 0 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, термообработанными 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, 7 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 концентрации оптически активного кислорода в образцах n-Si<Ho> в результате ВТО. С увеличением температуры обработки эффект увеличения N 0опт сильнее. Так, например, ВТО образцов n-Si<Ho> при 1000 0 С с последующей закалкой приводит к увеличению концентрации оптически активного кислорода на 810% , и после ВТО при Т=1200 0 С с последующей закалкой N 0опт достигает 1520%. Для проведения емкостных измерений из легированных и контрольных кристаллов изготавливались диоды напылением золота в высоком вакууме (10-5 мм.рт.ст.). Омическим контактом служили химически осажденный никель или сурьма, напыленные в вакууме. Измерения спектров DLTS проводились в режимах постоянного напряжения и постоянной емкости путем однократного или многократного сканирований с различными окнами скоростей эмиссии с фиксированным отношением t2 и t1 (t2/t2 =3, t1=1500 мс), длительность импульса сброса обратного смещения варьировалась в интервале tf =1 мкс÷100 мс. Обработка спектров, измеренных путем однократного сканирования, производилась сопоставлением экспериментальный DLTS-кривой с теоретической, после чего строился график Аррениуса n ~ f(T), наклон этой зависимости дает энергию ионизации глубокого уровня. При многократном сканировании с различными окнами скоростей эмиссии один спектр DLTS дает одну точку на кривой Аррениуса. Из вольт-фарадных характеристик определены зависимости 1/С2 = f(Vобр). Эти зависимости во всех исследованных диодах были линейными, что свидетельствует о равномерном распределении примеси в объеме полупроводника. Концентрация ионизованных центров в слое объемного заряда в диодах из n-Si<Ho>, а также в pSi<Ho>, определенная 1/С2 = f(Vобр) при 300К, хорошо согласуется с концентрацией мелких примесей в исходном кремнии. Приведены зависимости 1/С2 = f(Vобр) для типичного образца n-Si<Ho> при 300 К и 77 К. Из этих результатов установлено, что при 77 К концентрация заряженных центров в СОЗ после перезарядки глубоких уровней не становится равной концентрации при 300 К. Это не позволило определить природу уровней Ho. Во всех диодах из n-Si<Ho> темновая релаксация емкости отсутствует, т.е. концентрация более мелких уровней с Ес<0.15 эВ пренебрежимо мала. Анализ спектров DLTS в образцах n-Si<La> и p-Si<La> показывает, что при диффузионном введении атомов лантана в кремний наблюдается два глубоких уровня в верхней половине запрещенной зоны, с фиксированным значением энергии ионизации Ec-0.23 эВ и Ec-0.38 эВ и сечениями захвата электронов σn ~ 4∙10-17 см2 и σn~2∙10-15 см2 и один глубокий уровень в нижней половине запрещенной зоны с энергией ионизации Ev+0.29 эВ и сечением захвата дырок σp ~ 5∙10-16 см2, соответственно. Показано, что ГУ Ес-0.23 эВ наблюдается и в контрольных образцах, причем его концентрации при одинаковой температуре обработки в 5÷6 раз больше, чем в n-Si<Ho>. Предполагается, что присутствие атомов гольмия в кремнии приводит к снижению термического дефектообразования. 8 Измерения спектров DLTS в образцах кремния, легированных гольмием при выращивании показали, что присутствие Ho в кремнии не приводит к образованию каких-либо глубоких уровней в достаточной концентрации. Дополнительные эксперименты с помощью нейтронно-активационного анализа свидетельствуют о присутствии атомов гольмия в объеме кремния в довольно высоких концентрациях (от образца к образцу NHo измерялось в интервале 2∙1016 ÷ 8∙1017 см-3). Эти данные подтверждают мнение различных авторов об электрической нейтральности примесей редкоземельных элементов в кремнии. С целью изучения возможности активации атомов гольмия при термических воздействиях и их влияния на процессы термического дефектообразования проводилось ВТО при 900 и 1200 0 С в течение двух часов с последующим быстрым охлаждением. ВТО образцов Si с Ho приводит к появлению двух пиков с максимумами при 112 К и 160 К. Наклон зависимости Аррениуса, пересчитанный из этих пиков дает энергию ионизации обнаруженных уровней Ес-0.23 эВ и и Ec-0.38 эВ; сечения захвата электронов на эти ГУ порядка 4∙10-17 см2 и σn ~ 2∙10-15 см2. Уровень Ес-0.23 эВ наблюдался и в контрольных термообработанных образцах, причем его концентрации в 5÷6 раз больше, чем в n-Si<Ho>. Других ГУ в верхней половине запрещенной зоны образцов n-Si<Ho>, подвергнутых ВТО, не обнаружено. Следует отметить, что термообработка образцов n-Si<Ho> при Т>1100 0 C с последующей закалкой привела к компенсации образцов. Емкостные измерения на таких образцах были невозможны. 1- 1000 0 С, 2- 1200 0 С , 3-контрольный образец Рис. 1. Спектры DLTS в образцах кремния, легированных европием прошедших ВТО Исследовались также свойства кремния, диффузионно-легированного европием при температуре 1200 0 С в течение 50 часов. Результаты измерения удельного сопротивления показали что, во всех образцах n-типа Si после легирования европием наблюдается изменение типа проводимости и резкое 9 увеличение величины удельного сопротивления. Но при этом следует отметить, что величина удельного сопротивления после легирования европием примерно на порядок ниже величины удельного сопротивления образцов, легированных гольмием. В образцах p-типа Si значение удельного сопротивления незначительно уменьшается, но при этом тип проводимости сохраняется. Профиль распределения удельного сопротивления в образцах Si<Eu> , так же, как и в образцах Si<Ho>, не описывается erfc - функцией, а состоит из двух участков: вначале наблюдается резкий рост удельного сопротивления до глубины 80 мкм, далее значение удельного сопротивления стабилизируется и заметного изменения удельного сопротивления с глубиной не наблюдается. При этом следует отметить, что значения в контрольных образцах (без примесей РЗЭ), с глубиной заметно не изменяются. Параллельно на образцах той же серии проводились измерения спектров ИК поглощения. Анализ полученных результатов показывает, что диффузионное введение в решетку кремния примеси европия, так же как и гольмия приводит к уменьшению интенсивности полосы поглощения, характерной для оптически активного междоузельного кислорода. Но в отличие от случая введения гольмия, при введении примеси европия эффект уменьшения интенсивности полос поглощения на 8÷12 % меньше. Снимались также спектры ИК поглощения в диапазонах, характерных полосам поглощения для оптически активного углерода. Результаты измерений показывают, что заметного изменения содержания углерода не наблюдается. На этих образцах также проводилось измерения спектров DLTS. Результаты этих измерений показали, что на спектрах DLTS образцов n- Si<Eu> наблюдаются 3 пика с максимумами при Тm 110 К (пик А) и Тm180 К (пик В) и Тm270 К (пик С). Из наклона зависимостей lg f (1/Т) для каждого из пиков DLTS получено, что глубокие уровни, возникающие в верхней половине запрещенной зоны n-Si<Eu> в результате ВТО, имеют соответствующие энергии ионизации Et: 0.23 эВ, 0.39 эВ и 0.43 эВ и сечения захвата электронов: 410-17 см2, 210-15 см2 и 710-15 см2 соответственно. На спектрах DLTS контрольных образцов (без Eu), прошедших ту же ВТО, что и n-Si<Eu>, наблюдается один ГУ с энергией ионизации Ec-0.23 эВ. Концентрация уровня В в n-Si<Eu> сильно зависит от температуры диффузии и скорости охлаждения образцов после диффузии. Напротив, концентрация уровня А, который наблюдается и в контрольных образцах, не зависит от NEu и с ростом температуры ВТО заметно падает. Заметим, что при одинаковых температурах обработки и скорости охлаждения после диффузии концентрация этого ГУ в образцах n- Si<Eu> на порядок меньше, чем в контрольных. Аналогично легированию кремния гольмием и европием, нами проводилось также легирование кремния лантаном. Результаты измерений спектров DLTS показали, что в образцах n-Si, легированного La диффузионным методом образуются два ГУ с фиксированными энергиями ионизации: Ес–0.23 эВ и Еv+0.32 эВ c сечениями захвата носителей заряда n = 4∙10-17см-2 и p = 1∙10-16см2 соответственно. При этом обнаружено, что только эффективность образования ГУ Еv+0.32 эВ коррелирует с содержанием La. Установлено, что концентрация этого ГУ сильно 10 зависит от Тдиф и охл: чем выше Тдиф и охл, тем больше концентрация ГУ Еv+0.32 эВ в объеме Si. В четвертой главе приведены результаты исследований межпримесного взаимодействия в кремнии, одновременно легированном гольмием и железом, с помощью DLTS, влияние различных внешних факторов - высокотемпературных обработок и облучения на свойства кремния, легированного атомами Ho, La и Eu. Раздельное и одновременное легирование кремния гольмием и железом производилось диффузионным методом из газовой фазы в откачанных кварцевых ампулах при Т=900÷1250 0 С в течение 2÷50 часов, с последующим охлаждением с различными скоростями. Результаты измерений показали, что диффузионное введение Fе в n-Si не приводит к заметному изменению удельного сопротивления образцов n-Si<Fe>, в то время как введение Fe в p-Si существенно увеличивает (т.е. образцы р-Si<Fe> становятся высокоомными), а в некоторых случаях (диффузия Fe при Тд=1200 0 С, с последующим быстрым охлаждением) приводит даже к компенсации образцов р-Si. Эти результаты свидетельствуют о донорном характере глубоких уровней, образующихся при диффузионном введении железа в кремний. Одновременное или последовательное введение атомов Ho и Fe в решетку Si приводит к значительному увеличению удельного сопротивления в низкоомном nSi, а в p-Si удельное сопротивление почти не меняется. Рассмотрим результаты измерений энергетического спектра глубоких уровней в образцах Si<Ho>, Si< Fe > и Si< Ho, Fe >. Анализ спектров DLTS в образцах n-Si<Ho> и p-Si<Ho> показывает, что при диффузионном введении атомов гольмия в кремний наблюдается два глубоких уровня в верхней половине запрещенной зоны, с фиксированным значением энергии ионизации Ec-0.23 эВ и Ec-0.38 эВ и сечениями захвата электронов σn ~ 4∙10-17 см2 и σn ~ 2∙10-15 см2 и один глубокий уровень в нижней половине запрещенной зоны с энергией ионизации Ev+0.29 эВ и сечением захвата дырок σp ~ 5∙10-16 см2, соответственно. Диффузионное введение атомов Fe в Si, приводит к образованию трех глубоких уровней в запрещенной зоне, с фиксированными энергиями ионизации Еv+0.21 эВ, Еv+0.41 эВ и Ес-0.54 эВ и сечениями захвата электронов и дырок р = 5·10-16 см2, р = 3·10-15 см2, n = 1·10-16 см2, соответственно. Установлено, что при одновременном и последовательном введении Ho и Fe в Si, глубокие уровни, связанные с электрически активными атомами железа не образуются. Показано, что на спектрах DLTS наблюдаются только ГУ, связанные с Ho в кремнии, концентрация же электрически активных атомов Ho не изменяется с введением железа. Таким образом, присутствие Ho в объеме Si препятствует образованию глубоких уровней Fe. Вероятно, что наличие Ho в решетке Si приводит к дезактивации атомов Fe с переходом их на какие - либо неактивные стоки, которыми могут быть несовершенства структуры поверхности и т.д. Представляет интерес изучить влияние различных примесей, не проявляющих электрической активности в решетке Si на поведение специально введенных примесей, придающих кремнию полезные свойства ( например, 11 фоточувствительность, тензочувствительность и т.д.). В связи с этим нами изучалось влияние атомов гольмия на поведение атомов никеля в кремнии. Как было показано выше, атомы Ho вводились в Si в процессе выращивания, а затем диффузионным путем вводился никель. Измерения спектров DLTS образцов nSi<Ho> показали, что в заметной концентрации каких-либо ГУ не наблюдается, хотя по данным нейтронно-активационного анализа содержание атомов гольмия довольно высокое 2101651018 см-3. Следовательно, атомы Ho находятся в объеме Si в электрически нейтральных состояниях. Анализ и сопоставление данных показывают, что наличие атомов Ho в Si приводит к уменьшению концентрации ГУ Ес-0.23 эВ. Атомы гольмия так же, как атомы редкоземельных и изовалентных элементов в Si приводят к снижению термического дефектообразования; концентрация ГУ Ес-0.23 эВ значительно ниже в образцах n-Si<Ho+Ni>, чем в n-Si<ВТО>. Кроме того, установлено, что концентрация глубокого уровня Ес-0.41 эВ, связанного с атомами Ni, в образцах nSi<Ho, Ni> значительно выше, чем в образцах n - Si<Ni>. Из этих данных можно сделать вывод, что наличие атомов гольмия в решетке кремния повышает эффективность образования центров никеля в кремнии. Кроме того, предварительные эксперименты с низкотемпературными обработками образцов n - Si<Ni> и n-Si<Ho+Ni> показали, что атомы гольмия в некоторой степени стабилизируют свойства уровней никеля в кремнии: в присутствии Ho отжиг ГУ, связанных с Ni в Si происходит в 23 раза медленнее, чем в образцах n-Si<Ni>. Исследовалось также влияние примесей РЗЭ, введенных в объем Si в процессе выращивания на поведение атомов дополнительно введенной примеси с ГУ – титана. С этой целью проводилась диффузия Ti в интервале температур 9001250 0 С с последующей закалкой в интервале температур 9001250 0 С с последующей закалкой в образцы Si, легированного Eu при выращивании из расплава. При тех же условиях отжигались контрольные образцы Si<Eu>, без примеси Ti и исходные образцы Si. Сопоставление спектров DLTS образцов Si<Eu,Ti> с аналогичными спектрами для Si<Ti> показали, что в этих образцах наблюдаются только два ГУ с энергиями ионизации Ес0.23 эВ и Ес0.27 эВ. Параметры первого ГУ совпадают с параметрами уровня термодефектов, который наблюдается и в контрольных термообработанных образцах; параметры второго ГУ совпадают с параметрами известного центра Ti. Результаты расчетов показывают, что наличие Eu в решетке Si увеличивает эффективность образования уровней Ti, что обусловлено, по всей видимости, увеличением электроактивной доли атомов Ti. Дополнительное легирование образцов Si<Eu> атомами Ti препятствует образованию уровней Ес-0.40 эВ и Ес-0.46 эВ, связанных с атомами Eu : на спектрах DLTS образцов Si<Eu,Ti> эти ГУ не наблюдаются. Эксперименты с НТО показали, что в Si<Eu,Ti> отжиг ГУ происходит значительно медленнее, чем в образцах Si<Ti>. Это свидетельствует о том, что наличие атомов Eu в решетке Si стабилизирует свойства уровней Ti. Таким образом, отсутствие уровней Eu, а также увеличение концентрации и стабилизация параметров уровней Ti в Si<Eu,Ti> позволяет сделать вывод, что атомы Eu и Ti вступают во взаимодействие, результатом которого является, по всей 12 вероятности, образование некоторого комплекса с участием атомов Eu и Ti. Это предположение подтверждает также результаты измерений спектров ИК поглощения в образцах Si<Eu,Ti> . Известно, что присутствие атомов РЗЭ в решетке Si приводит в одних случаях к повышению термической стабильности, в других – к повышению радиационной стойкости. Представляет определенный интерес изучение влияния облучения на свойства кремния, легированном РЗЭ. Рассмотрим результаты исследования влияния -облучения на свойства Si с примесями РЗЭ на примере гольмия. Для экспериментов использовались образцы n-Si<Ho> с различным содержанием Ho и междоузельного кислорода, рис.2. Как было показано выше, в исходном n-Si< Ho >, не подвергнутом ВТО, на спектрах DLTS глубокие уровни не наблюдаются. Анализ спектров DLTS показывает, что в результате облучения в образцах n-Si<Ho> образуется новый ГУ с энергией ионизации Ес0.17 эВ, его параметры совпадают с параметрами известного РД А-центра (комплекса вакансия – кислород). В бескислородных образцах кремния и наблюдаются два новых ГУ: Ес0.17 эВ и Ес0.43 эВ, причем доминирующим является второй ГУ, параметры которого совпадают с параметрами другого известного РД Е-центра (комплекса вакансия – фосфор). Добавим, что А- и Е- центры наблюдаются также и в контрольных образцах Si (без Ho). Сопоставление дозовых зависимостей наблюдаемых ГУ в облученном n-Si<Ho> с аналогичными зависимостями в контрольных образцах показывает, что скорость введения РД в образцах, содержащих Ho значительно ниже, чем в контрольных. 1- до облучения; 2- после -облучения Рис. 2. Типичные спектры DLTS образцов кремния, легированного гольмием Таким образом, присутствие атомов Ho в Si cнижает эффективность образования РД. Этот эффект, по-видимому, следует связывать с особенностями взаимодействия атомов Ho с дефектами, вводимыми облучением. Отметим, что эффективность образования РД зависит от способа введения примеси РЗЭ. В образцах диффузионно-легированных гольмием Е-центры вообще не образуются. Снижение эффективности образования РД наблюдалось нами и в образцах Si с 13 примесями Eu. Эти эффекты, по-видимому, следует связывать с особенностями взаимодействия атомов РЗЭ со структурными дефектами и с дефектами, вводимыми облучением. Следует отметить, что в отличие от образцов Si<Ho>, в образцах Si<Eu>, концентрации А - центров (комплексов вакансия- кислород) и Ецентров (комплексов вакансия-фосфор) – основных РД, несколько меньше. Этот факт, вероятно, может служить подтверждением того, что в состав примесных преципитатов РЗЭ в этих образцах входят также атомы кислорода, углерода, вакансии и др. 3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Измерения удельного сопротивления образцов n-Si <Ho> до и после ВТО в различных режимах (ТВТО , vохл.) показали, что термообработка приводит к увеличению с ростом времени отжига, что обусловлено введением компенсирующих центров в Si с примесью гольмия. Сделан вывод о том, что центры, обусловленные активацией атомов гольмия при высокотемпературных обработках, носят акцепторный характер. Установлено, что при диффузионном введении Ho в n-Si наблюдается увеличение удельного сопротивления, а в p-Si заметного изменения удельного сопротивления не наблюдается. 2. Обнаружено, что профили распределения удельного сопротивления по глубине кремния для обеих примесей - гольмия и европия, аналогичны, что может свидетельствовать об одинаковой природе уровней, создаваемых атомами Ho и Eu в кремнии. Но разная глубина, при которой достигается стабильное значение удельного сопротивления (90 мкм для Ho и 80 мкм для Eu) и величина стабильного значения удельного сопротивления указывают на большую электропроводность примесей Ho по сравнению с примесями Eu. 3. С помощью метода DLTS обнаружено, что ГУ Ес-0,23 эВ наблюдается и в контрольных образцах, причем его концентрации при одинаковой температуре обработки в 5÷6 раз больше, чем в n-Si<Ho>. Предполагается, что присутствие атомов гольмия в кремнии приводит к снижению термического дефектообразования. 4. Установлено, что ВТО приводит к увеличению концентрации оптически активного междоузельного кислорода, что, вероятно, связано с распадом комплекса гольмия с кислородом при термических воздействиях. 4. СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ 1. Далиев Х.С., Утамурадова Ш.Б., Хамиджонов И.Х., Акбаров А.Ж., Мирзаирова И.К., Акимова Ж.О., Влияние термической обработки на образование центров с глубокими уровнями в кремнии, легированном европием или лантаном. Неорганические материалы, 2001, т.37, №5, С. 527-529. 2. Х.С.Далиеев, Б.К.Даулетмуратов, Ш.Б.Утамурадова, И.К.Мирзаирова, Ш.Х.Далиева, Ж.О.Акимова, З.О.Олимбеков, Особенности дефектообразования в кремнии при легировании никелем различными методами Оптоэлектроника и полупроводниковая техника,2009, вып.44. С.112-116. 14 3. Ш.Б.Утамурадова, Х.С.Далиев, Б.К.Даулетмуратов, Ш.Х.Далиев, Ж.О.Акимова, Исследование взаимодействия лантана с кислородом в кремнии ДАН 2009, вып.1. С.21-23. 4. Мамадалимов А.С.Утамурадова Ш.Б.Акимова Ж.О. Дефектообразование в кремнии с примесью гадолиния. // Сборник трудов международной конференции.”Прикладные проблемы физики полупроводников”. ТашГУ.Ташкент. 15-17 сентябрь 1999. С.32. 5. Далиев Х.С., Утамурадова Ш.Б. ,.Акимова Ж.О., Исследование свойств нейтронно-легированного кремнии с примесью марганца. Сборник трудов международной конференции.”Прикладные проблемы физики полупроводников” 15-17 сентябрь 1999.ТашГУ.Ташкент. С.32. 6. Далиев Х.С., Хамиджонов И.Х., Акбаров А.Ж., Мирзаирова И.К., Акимова Ж.О., Об активации атомов Eu и La в кремнии под воздействием внешних факторов. Сб. трудов Межд. конференции. «Прикладные проблемы физики полупроводников». Ташкент, 1999, С.16-17. 7. Зайнабидинов С.З. Далиев Х.С. Акбаров А.Ж., Акимова Ж. Влияние внешних факторов на поведение некоторых редкоземельных элементов в кремнии Сб. труд. Науч.прак. сем. «Проблемы полупроводникового материаловедения». Андижан, 1999, С.3. 8. Далиев Х.С.,Утамурадова Ш.Б. ,Акимова Ж.О., Далиев Ш.Х., Влияние радиации на свойства кремния с примесями редкоземельных элементов IY Республиканской конференций “Рост, свойства и применение кристаллов” РСПК-2005.27-29 октябрь 2005.С.52-53. 9. Далиев Х.С.,Утамурадова Ш.Б., Акимова Ж.О., Инфракрасная спектроскопия кремния с примесью гадолиния Неравновесные процессы в полупроводник и в полупроводниковых структурах НИИ прикладной физики Национального университета Узбекистана имени Мирзо Улугбека. г. Ташкент, 2007. С.33 10. Утамурадова Ш.Б.,Далиев Ш.Х., Акимова Ж.О.,Атабаев Т.Ш., Влияние лазерного излучения на свойства кремния, легированного гольмием Неравновесные процессы в полупроводник и в полупроводниковых структурах НИИ прикладной физики Национального университета Узбекистана имени Мирзо Улугбека. г. Ташкент, 2007.С.36. 11. Утамурадова Ш.Б., Далиев Х.С., ДалиевШ.Х., Акимова Ж.О., Примесные атомы гольмия в кремнии Вестник. ФАНУз. 2008. №2. С. 13-14. 12. УтамурадоваШ.Б., Ж.О.Акимова, Изучение особенностей межпримесного взаимодействия в кремнии с примесями Ho и Fe помощью ИК спектроскопии “Олима аёлларнинг Фан-техника тараққётида тутган ўрни” Илмий амалий анжуман мақолалар тўплами 2008. С.197-198 13. Утамурадова Ш.Б., Далиев Х.С., Даулетмуратов Б.К., Далиев Ш.Х., Акимова Ж.О., Влияние атомов гафния на свойства границы раздела Si-SiO2 Материалы международной конференции. ”Структурна релаксацiя у твердих тiлах” 19-21 май 2009 pik, Вiнниця, Украина.С.176-177. 14. Утамурадова Ш.Б., Далиев Ш.Х., Каландаров Э.К., Акимова Ж.О., Влияние воздействия термообработки и межпримесного взаимодействия на электрофизические свойства кремния, легированного лантаном. Материалы 2–между15 народной конференции «Неравновесные процессы в полупроводниках и в полупроводниковых структурах» Ташкент, 2009.С.77-79. 16 РЕЗЮМЕ диссертации Акимовой Жумахан Оразбаевны на тему: «Процессы дефектообразования в кремнии, легированном Ho, La, Eu и их взаимодействие с технологическими примесями О и С» на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.10 - физика полупроводников Ключевые слова: полупроводник, кремний, редкоземельные элементы, гольмий, лантан, европий, никель, легирование, примеси, отжиг, внешние воздействия, термостабильность, радиационная стойкость. Объекты исследования: Si, легированный Ho, La, Eu диффузионным методом и в процессе выращивания, а также дополнительно легированный Ti и Ni. Цель работы: изучение свойств Si, легированного Ho, La, Eu путем высокотемпературной диффузии и в процессе выращивания Si из расплава, а также исследование влияния легирования Si<Ho> различных термических обработок и воздействия радиации на свойства Si<Ho>. Методы исследования: нестационарная емкостная спектроскопия глубоких уровней, фотоемкость и инфракрасная спектроскопия. Полученные результаты и их новизна: впервые выполнено комплексное исследование свойств кремния с примесями гольмия, европия и лантана и установлено, что введение этих примесей путем высокотемпературной диффузии приводит к существенному изменению электрофизических свойств кремния. Изучена эффективность образования уровней Ho, La и Eu в кремнии в зависимости от технологических факторов. Впервые с помощью емкостной спектроскопии определен энергетический спектр ГУ, создаваемых атомами Ho, La и Eu в кремнии при их диффузионном введении. Обнаружено, что диффузионное введение этих примесей приводит к снижению эффективности образования термических и радиационных дефектов и стабилизации параметров кремния. Установлено, что в кремнии, легированном примесями РЗЭ при выращивании, ГУ в заметной концентрации не наблюдается, но последующая высоко-температурная обработка в интервале температур 1000÷1200 0 С приводит к активации атомов РЗЭ и образованию ряда глубоких уровней. Практическая значимость: проведенная оптимизация параметров Si, легированного РЗЭ может быть служить в качестве рекомендаций при создании новых полупроводниковых приборов со стабильными и воспроизводимыми параметрами. Степень внедрения и экономическая эффективность: 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 различных полупроводниковых приборов. Область применения: полупроводниковое материаловедение и микроэлектроника. 17 Физика-математика фанлари номзоди илмий даражасига даъвогар Акимова Жумахан Оразбаевнанинг 01.04.10 – яримўтказгичлар физикаси ихтисослиги бўйича: «Ho, La, Eu лар билан легирланган кремнийда нуқсонлар ҳосил бўлиш жараёнлари ва уларнинг технологик киришмалар О ва С билан ўзаро таъсири» мавзусидаги диссертациясининг РЕЗЮМЕСИ Таянч сўзлар: яримўтказгич, кремний, легирлаш, киришмалар, нодир ер элементлари, гольмий, лантан, никель, легирлаш, кириндилар, қайта ишлов бериш, ташқи таъсирлар, иссиқликка чидамлилиги, радиацияга чидамлилиги. Тадқиқот объектлари: диффузия ва ўстириш жараёнида гольмий, лантан ва европий билан легирланган кремний ва уларга қўшимча Ti ва Ni атомлари билан легирланиши жараёни. Ишнинг мақсади: ўстириш пайтида ва диффузия усули ёрдамида кремнийга Ho, La, Eu атомларини киритиб, турли иссиқлик ишлови ва гольмий билан легирланган кремнийга радиация таъсирини ўрганиш. Тадқиқот методлари: Чуқур сатҳларнинг ностационар сиғимли спектроскопияси, фотосиғим ва инфрақизил спектроскопия. Олинган натижалар ва уларнинг янгилиги: ўстириш пайтида ва диффузия усули ёрдамида нодир ер элементи Ho, La ва Eu билан легирланган Si хусусиятлари комплекс усуллар ёрдамида биринчи бор тадқиқ этилди ва шу киришмаларга юқори ҳароратли ишлов берилганда кремнийнинг электрофизик хусусиятларини ўзгаришга олиб келиши аниқланган. Ho, La ва Eu атомлари кремнийга киритилганда уларнинг ҳосил қиладиган сатҳлари-нинг самаралиги технологик факторларга боғлиқлиги ўрганилди. Ho, La ва Eu атомлари кремнийга киритилганда термик ва радиацион нуқсонларни ҳосил бўлиш самаралигини камайтиришга олиб келиши ва кремний параметрларини стабиллашуви аниқланди. Ўстириш пайтида нодир ер элементлари кремнийга киритилганда чуқур сатҳлар концентрацияси сезиларли эмаслиги ва уларга юқори ҳароратли ишлов 1000÷1200 0 С берилганда эса нодир ер элементлар атомларининг фаоллашиши ва бир қатор чуқур сатҳларнинг ҳосил бўлиши аниқланди. Амалий ахамияти: нодир ер элементалри билан легирланган кремнийга хар хил технологик жараёнларда ишлов берилиш жараёни ўрганилиб унинг параметрлари оптималлаштирилди. Бундан ташқари гольмий билан легирланган кремнийга никель ва титан атомларини қўшимча легирлаш орқали кремнийнинг параметрларининг стабиллигини ошириш йўллари ишлаб чиқилди. Бу эса ўз навбатида радиацияга ва температурага чидамли материаллар олиш имкониятини беради. Татбиқ этиш даражаси ва иқтисодий самарадорлиги: Олинган натижаларга кўра Ho, La ва Eu атомлари билан легирланган кремний иссиқликка ва радиацияга чидамлилиги янги турдаги яримўтказгичли асбобларни яратиш имкониятини беради. Қўлланиш соҳаси: яримўтказгичлар материалшунослиги, яримўтказгичлар асбобсозлиги, микроэлектроника ва оптоэлектроника. 18 RESUME Thesis of Akimova Jumakhan Orazbaevna on the scientific degree competition of the doctor of philosophy in physics-mathematic speciality 01.04.10- physics of semiconductors on the subject: «The processes of defect formation in silicon doped Ho, La, Eu and their interaction with technological impurities O and C» Key words: the semiconductor, silicon, rare earth elements, holmium, nickel, doping, impurity, heat treatment, external influences, thermal stability, radiating stability. Subject of research: Si, doped with Ho, La, Eu by diffusion method and during crystal grows, Si <Ho>, doped with Ti and Ni. Purpose of work: studying of properties Methods of research: deep levels transient spectroscopy, photocapacity and infrared spectroscopy. The results obtained and their novelty: For the first time it is carried out complex research of properties Si with impurity holmium, europium and lanthanum is carried out and it is revealed that introduction of these doping by high temperature diffusions leads to the existing changes of electrophysic properties of silicon. Efficiency of formation of levels Ho, La and Eu in silicon depends on technology factors have been investigated. For the first time energetic specter DL was determined with the help of spectroscopy capacity, created by atoms Ho, La and Eu in silicon at their diffusion introduction. It is revealed that diffusion introduction in these impurity leads to decrease of efficiency formation of thermal and radiating defects and stabilization of parameters silicon. It is established that doped impurity REE during crystal grows, DL in noticeable evaporation is not observed, but the subsequent high temperature in an interval temperatures 1000÷1200оC leads to activation of atoms REE and formation of DL. Practical value: the lead optimization of parameters Si, doped with REE can be serve as recommendations at creation of new semi-conductor devices with stable and reproduced parameters. Degree of embed and economic effectivity: the received results on increase of thermal stability and radiating stability of parameters of silicon introduction of Ho, La and Eu atoms can be used as recommendations at manufacturing various semi-conductor devices; Field of application: semiconductor material researching, production of semiconductor devices, microelectronics and optoelectronics. 19
