Процеси трансформації станів домішки кисню в монокристалах кремнію при високоенергетичному опроміненні та термообробках

Запропонована теоретична модель формування неоднорідного розподілу кисню в мікромасштабі внаслідок анізотропії деформаційної взаємодії між атомами кисню.

Експериментально спростовано традиційні уявлення про провідну роль неконтрольованих стоків у розподілі первинних радіаційних дефектів у монокристалічному кремнії під опроміненням. Показано існування жорсткого балансу в розподілі радіаційних вакансій між атомами технологічних домішок. Це означає принципову можливість кількісного аналізу процесів утворення вторинних радіаційних дефектів у кремнії і прогнозування поведінки параметрів кремнієвих приладів в полях жорсткої радіації.

Запропоновано модель впливу індукованих киснем внутрішніх деформаційних напружень в кристалах кремнію на процеси термічно стимульованих трансформацій станів кисню. Модель дозволяє пояснити протиріччя між експериментальною і визначеною із кінетики утворення термодонорів величиною дифузії кисню (дифузійний парадокс КТД). Обґрунтовано принципово новий підхід до проблеми термостабільності кремнію - через збільшення однорідності розподілу кисню у субмікронному масштабі.

Показано, що головними механізмами впливу радіації на термічно стимульовані трансформації стану домішки кисню в кремнії є радіаційно прискорена дифузія атомів кисню в складі киснево-вакансійних комплексів та формування радіаційних дефектів, які є додатковими центрами преципітації кисню.

Розвинуто уявлення про роль деформаційної дефектно-домішкової взаємодії у радіаційному дефектоутворенні в кремнії з важкими ізовалентними домішками Sn і Pb. Запропоновано модель впливу домішок ІV-групи на формування термодонорних станів кисню через утворення метастабільного комплексу „атом кисню - атом ізовалентної домішки”

Встановлено, що домінуючим механізмом радіаційно індукованих трансформацій стану кисню в кремнії є формування комплексів виду V_nO_m, в котрих значення параметру n визначається типом та енергією, а m - температурою опромінення. З ростом температури стають рухливими комплекси із більшими значеннями m. Вони мігрують до захоплення на черговий атом O_і і утворення більш термостабільного комплексу V_nO_m+1. Радіаційні V і V₂ грають роль рухомого „збирача-накопичувача” в процесі конденсації атомів кисню.

Фізично обґрунтовані та частково доведені до практичної реалізації методи підвищення термічної та радіаційної стабільності електричних параметрів кремнію та електронних приладів на його основі шляхом:

- формування n-типу провідності за допомогою кисневих термодонорів;

- збільшення однорідності просторового розподілу домішки кисню в Si;

- легування ізовалентними домішками олова та свинцю.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Kraitchinskii A., Krasko M., Neimash V., Shpinar L., Tischenko V., Voytovych V., Goushcha A.O., Metzler R.A. Small angle light scattering and clasters of thermal donors in Si // J. Appl. Phys. - 2004. - V. 96. - N 12. - P. 7235-7238.

Неймаш В.Б., Саган Т.Р., Цмоць В.М., Шаховцов В.И., Шиндич В.Л. О некоторых механизмах влияния предварительной термообработки на поведение параметров кремния под облучением // ФТП. - 1991. - Т. 25. - № 11. - С. 1857-1863.

Кабалдин А.Н., Неймаш В.Б., Цмоць В.М., Шпинар Л.И. Механизмы влияния термодоноров на холловскую подвижность в кремнии // УФЖ. - 1995. - Т. 40. - № 10. - С. 1079 -1082.

Неймаш В.Б., Саган Т.Р., Цмоць В.М., Шаховцов В.И., Шиндич В.Л., Штым В.С. Магнитное упорядочение кислородосодержащих термодоноров в Si // УФЖ. - 1992. - Т. 37. - № 3. - С. 437-441.

Кабалдин Н., Неймаш В.Б., Цмоць В.М., Шаховцов В.И., Штым В.С. Особенности поведения магнитной восприимчивости в облученном кремнии // УФЖ. - 1995. - Т. 40. - № 3. - С. 218 -221.

Neimash V., Puzenko O.O., Kabaldin O.M., Kraitchinskii A.M., Krasko M.M, Claeys C., Simoen E. The nature of precursors for the thermal donor formation in silicon // Solid State Phenomena. - 1999. - V. 69 -70. - P. 351-356.

Неймаш В.Б., Сірацький В.М., Крайчинський А.М., Пузенко О.О. Про деякі властивості термодонорів, що утворюються в кремнії при 530⁰С // УФЖ. - 1998. - Т. 43. - в. 2. - С. 219-223.

Неймаш В.Б., Селіщев П.О., Цмоць В.М. Властивості та можливий механізм утворення флуктуацій концентрації домішки кисню в монокристалах Сz-кремнію // НТШ. - 2002. - Т. 5. - С. 68 -75.

Kabaldin A.N., Neimash V.B., Pomosov Yu.V., Shakhovtsov V.I., Tsmots V.М. The influence of neutron irradiation on the generation of thermodonors and precipitation of oxygen in silicon at 650⁰C // Sov. Phys. Semicond. - 1993. - V. 27. - N. 11. - P. 1654-1658.

Кустов В.Е., Неймаш В.Б., Тріпачко М.О., Пузенко О.О., Красько М.М. Вплив преципітації домішки кисню при 1050⁰C на пружні напруження в кремнії // УФЖ. - 1998. - Т. 43. - в. 5. - С. 626 -629.

Neimash V., Sagan T.R., Tsmots V.M., Siratskii V.M., Sosnin M.G., Shakhovtsov V.I., Shindich V.L. On the Role of Uncontrolled sinks in Silicon under Irradiation // Phys. Stat. Solidi (a). - 1991. - V. 123. - P. K95-K100.

Неймаш В.Б., Сирацкий В.М., Соснин М.Г., Шаховцов В.И., Шиндич В.Л. Влияние термодоноров на радиационное дефектообразование в кремнии // ФТП. - 1989. - Т. 23. - № 2. - С. 250-252.

Неймаш В.Б., Крайчинский А.Н., Кабалдин А.Н., Цмоць В.М., Пузенко Е.А., Красько Н.Н. Роль микронеоднородного распределения стоков для компонентов пар Френкеля в радиационной деградации свойств монокристаллического кремния // ВАНТ. - 1998. - Т. 73-74. - С. 121 -125.

Неймаш В.Б., Саган Т.Р., Цмоць В.М., Шаховцов В.И., Шиндич В.Л. Способ получения кремниевых диодов // Авторское свидетельство Госкомизобретений № 1819064 от 11.10.1992, заявка № 4857232, приоритет изобретения 06.08.1990.

Заитов Ф.А., Добровинский Ю.М., Неймаш В.Б., Цмоць В.М., Шаховцов В.И., Шиндич В.Л. Рекомбинация в Si после термообработки и гамма-облучения // ФТП. - 1987. - Т. 21. - В. 2082-2084.

Неймаш В.Б., Соснин М.Г., Шаховцов В.И., Шиндич В.Л., Ясковец И.И. Рекомбинация в n-кремнии при термобработке и облучении // ФТП. - 1988. - Т. 22. - в. 2. - С. 206-209.

Simoen E., Claeys C., Kraitchinskii A., Krasko M., Neimash V., Shpinar L. Radiations Defects and Carrier Lifetime in Tin-Doped n-Type Silicon // Solid State Phenomena. - 2002. - V. 82 -84. - P. 425-430.

Неймаш В.Б., Красько М.М., Крайчинський А.М. Генерація радіаційних і термічних дефектів у кремнії при „гарячому” електронному опроміненні // УФЖ. - 2002. - Т. 47. - № 1. - С. 50 -53.

Simoen E, Rafi J.M., Claeys C., Neimash V., Kraitchinskii A., Krasko M., Tischenko V., Voytovych V., Versluys J., Clauws P. Deep levels in high-temperature 1MeV electron-irradiated n-type Czochralsky silicon // Jap. J. Appl. Phys - 2003. -V. 42. - N 12. - P. 7184-7188.

Neimash V., Krasko M., Kraitchinskii A., Voytovych V., Tischenko V., Simoen E, Rafi J.M., Claeys C., Versluys J., De Gryse O., Clauws P. DLTS studies of High-Temperature Electron Irradiated Cz n-Si // Phys. St. Sol (a). - 2004. - V. 201. - N 3. -P. 509-516.

Емцев В.В., Далуда Ю.Н., Шаховцов В.И., Шиндич В.Л., Неймаш В.Б., Антоненко Р.С., Шмальц К. Кислородосод ержащие термодоноры, образующиеся в кремнии при “горячем облучении” // ФТП. - 1990. - Т. 24. - в. 2. - С. 374-377.

Kraitchinskii A., Neimash V., Rogutskii. І, Shpinar L.I. Primary radiation defects in silicon. Creation, annihilation, getters // УФЖ. - 1999. - Т. 44. - B. 1-2.- С. 259 -262.

Neimash V., Kraitchinskii A., Krasko M., Puzenko.O., Claeys C., Simoen E, Svenson B., Kuznetsov A. Influence of tin impurities on the generation and annealing of thermal oxygen donors in czochralski silicon at 450⁰C // J. Electrochem. Soc. - 2000. - V. 147. - N 7. - P. 2727-2733.

Неймаш В.Б., Соснин М.Г., Туровский Б.М., Шаховцов В.И., Шиндич В.Л. Дефектообразование при электронном облучении p-кремния с примесью олова // ФТП. - 1982. - Т. 16. - в. 5. - С. 901-903.

Simoen E, Claeys C., Neimash V., Kraitchinskii A., Krasko M., Puzenko O., Blondeel A., Clauws P. Deep levels in high-energy proton-irradiated tin-doped n-type Czochralsky silicon // Appl. Phys. Lett. - 2000. - V. 76. - N 20. - P. 2838-2840.

Claeys C., Simoen E, Neimash V., Kraitchinskii A., Krasko M., Puzenko O., Blondeel A., Clauws P. Tin Doping of Silicon for Controlling Oxygen Precipitation and Radiation Hardness // J. Electrochem. Soc. - 2001. - V. 148 - N 12. - P. G738-G745.

Красько М.М., Войтович В.В., Неймаш В.Б., Крайчинський А.М. Вплив легування свинцем на утворення термічних дефектів в кремнії з підвищеним вмістом вуглецю // УФЖ. - 2004. - в. 49. - № 7. - С. 691 -694.

Неймаш В.Б., Войтович В.В., Крайчинський А.М., Шпінар Л.І., Красько М.М., Попов В.М., Поканевич А.П., Городиський М.І., Павловський Ю.В., Цмоць В.М., Кабалдін О.М. Вплив легування ізовалентною домішкою свинцю на параметри n-кремнію // УФЖ. - 2005. - Т. 50. - в. 5. - С. 492-496.

Неймаш В.Б., Войтович В.В., Красько М.М., Крайчинський А.М., Павловський Ю.В., Кабалдін О.М., Цмоць В.М. Радіаційне дефектоутворення в n-кремнії з домішками свинцю і вуглецю // УФЖ. - 2005. - в. 50. - № 11. - С. 1273-1277.

David M.-L., Simoen E., Claeys C., Neimash V., Krasko M., Kraitchinskii A., Voytovych V., Kabaldin O., Barbot J.F. Electrically active defects in irradiated n-type Czochralsky silicon doped with group IV impurities // J. Phys. Condens. Matter. - 2005. - V. 17. - P. 2255-2266.

АНОТАЦІЯ

Неймаш В.Б. Процеси трансформації станів домішки кисню в монокристалах кремнію при високоенергетичному опроміненні та термообробках. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук по спеціальності 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Інститут фізики НАН України, Київ, 2007.

Досліджено перебудову станів домішки кисню в структурі кристалів кремнію під впливом їх теплового та радіаційного збудження. Доведено існування в кремнії неоднорідностей просторового розподілу домішки кисню субмікронного масштабу, в яких атоми кисню під дією тепла та радіації набувають ряд додаткових колективних властивостей. Виявлено ефект терморадіаційної конденсації кисню на радіаційних дефектах при температурах, коли його дифузія незначна. Проаналізовано механізми впливу домішок Sn і Pb на термо- та радіаційно-стимульовані трансформації стану кисню в кремнії. Виявлено утворення кількох нових акцепторних і донорних станів кисню в кремнії під час опромінення при температурах повного відпалу усіх раніше відомих електрично активних радіаційних дефектів.

Ключові слова: монокристалічний кремній, домішка кисню, радіаційні та теплові впливи.

ABSTRACT

Neimash V.B. Processes of oxygen impurity state transformation in the silicon single crystals under high energy irradiation and heat treatments. - Manuscrypt.

Thesis for a Doctor of Sciences degree in Phisics and Mathematics speciality 01.04.07 - solid state physics.- Institute of Physics of Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2007.

The reorganization processes of oxygen impurity state in silicon single crystals  at their thermal and radiating excitation are investigated. The existence of oxygen impurity heterogeneities of spatial distribution in silicon crystals is shown in submicron scale. Oxygen atoms in this state obtain some additional collective properties under action of heat and radiation. Thermal-radiating condensation of oxygen atoms on radiation defects is revealed. The mechanisms of Sn and Pb impurities influence on the oxygen condition in silicon are analyzed. Several new acceptor and donor state of oxygen in silicon are revealed after irradiation at temperatures of complete annealing of all known electrical active radiation defects.

Key words: silicon single crystal, oxygen impurity, heat and radiation effects.

АННОТАЦИЯ

Неймаш В.Б. Процессы трансформации состояний примеси кислорода в монокристаллах кремния при высокоенергетическом облучении и термообработках. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. -

Институт физики НАН Украины, Киев, 2007.

Экспериментально исследованы процессы перестройки структурных состояний примеси кислорода в кристаллах кремния под влиянием их теплового возбуждения в диапазоне температур от 100 до 1050 ^оС и радиационного возбуждения гамма-квантами, 1 или 3 МеВ электронами, реакторными нейтронами, а так же протонами с энергией 61МеВ.

Показано существование в кристаллах кремния особого „квазиструктурного” состояния примеси кислорода - неоднородностей пространственного распределения субмикронного масштаба (<10^-4 см). Локальная концентрация атомов кислорода в них на 1-3 порядка превышает среднюю по кристаллу и может достигать величины 10²¹см^-3. В таких неоднородностях находится не более 5% общего количества кислорода. Однако именно в них под действием тепла (Т=450 ^оС) формируется основная часть кислородосодержащих термодоноров (КТД). Это происходит благодаря ускорению диффузии атомов кислорода в полях ими же созданных упругих деформаций внутри неоднородностей с высокой локальной концентрацией. Установлено, что энергии активации дифузии снижается от 2,5 эВ в объёме до 1,6-1,8 эВ в неоднородностях.

Под действием тепла и радиации часть атомов кислорода переходит из электрически нейтрального в заряженные состояния в составе КТД и радиационных дефектов (РД). В кислородных неоднородностях возникают их скопления с высокой локальной концентрацией. Благодаря этому КТД и РД в скоплениях приобретают ряд дополнительных коллективных свойств. В частности, вследствие обменного взаимодействия между дефектами в их скоплениях устанавливается магнитное упорядочение кооперативного типа подобное асперомагнитному домену. Из-за образования общих областей пространственного заряда КТД их влияние на процессы распространения света и электрического тока коллективизируется, приводя к специфическим эффектам рассеяния. Например, резко возрастает малоугловое рассеяние ИК-света и наблюдается аномальное уменьшение холловской подвижности уже в области температур фононного рассеяния. Это позволило обнаружить скопления субмикронного масштаба, содержащие ~ 10 КТД. Они имеют анизотропную форму, вытянутую вдоль кристаллографического направления <110>. Микроскопления распределены слоями с периодом порядка 10^-3 см параллельными кристаллографическому направлению <111>. Получены новые экспериментальные данные об отсутствии взаимодействия между КТД и первичными РД в Si. Предложены три интерпретационных механизма этого факта, основанные на учете микронеоднородности пространственного распределения КТД и межузельных атомов кислорода.

Обнаруженное ускорение на порядок генерации КТД и сокращение в несколько раз длительности инкубационного периода распада твердого раствора кислорода при 650 ^оС в нейтронно-облученном кремнии, объяснено и проанализировано с точки зрения участия РД в процессах преципитации кислорода в качестве дополнительных центров зарождения.

Выявлен эффект терморадиационной конденсации атомов кислорода, при котором радиационные дефекты осуществляют роль локомотива-накопителя для атомов кислорода при температурах, когда их диффузия ничтожна. Ускоренный транспорт атомов кислорода в составе метастабильных кислородно-вакансионных комплексов и формирование термостабильных комплексов V_xO_y в качестве зародышей рассматривается как причина ускорения генерации КТД при высокотемпературном облучении электронами. Обнаружены и исследованы несколько новых акцепторных и донорных состояний кислорода в кремнии, которые возникают во время облучения при температурах полного отжига всех известных электрически активных радиационных дефектов.

Проанализированы механизмы влияния примесей Sn и Pb на термически и радиационно-стимулированные трансформации состояния кислорода в кремнии с учетом роли деформационного взаимодействия изовалентных примесей с кислородом и радиационными дефектами. Показано, что Pb, в отличие от других изовалентных примесей в Si, не образует электрически активных вторичных РД под облучением. Атомы и преципитаты атомов Pb в кремнии являются эффективными геттерами собственных межузельных атомов, атомов быстро диффундирующих “глубоких” примесей, бора и углерода в процессе выращивания кристалла по Чохральскому. Под облучением дисперсные атомы Pb способны захватывать радиационные вакансии, исключая их из образования электрически активных РД.

На основе полученных результатов физически обоснованы и частично доведены до практической реализации несколько методов повышения термической и радиационной стабильности электрических параметров кремния и электронных приборов на его основе.

Ключевые слова: монокристаллический кремний, примесь кислорода, термические и радиационные воздействия.

Размещено на Allbest.ru