Особливості зміни структури й електрофізичних характеристик n-Si під впливом різних режимів термообробки
Досліджено кристали n-кремнію, леговані домішкою фосфору як традиційним металургійним способом (у процесі вирощування через розплав), так і методом ядерної трансмутації (перетворення ізотопів кремнію у процесі захоплення ними теплових нейтронів). Принципова відмінність трансмутаційного легування ві...
Gespeichert in:
| Datum: | 2020 |
|---|---|
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainian |
| Veröffentlicht: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2020
|
| Schriftenreihe: | Доповіді НАН України |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/170503 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Особливості зміни структури й електрофізичних характеристик n-Si під впливом різних режимів термообробки / Г.П. Гайдар // Доповіді Національної академії наук України. — 2020. — № 5. — С. 42-51. — Бібліогр.: 14 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-170503 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1705032020-07-18T01:26:12Z Особливості зміни структури й електрофізичних характеристик n-Si під впливом різних режимів термообробки Гайдар, Г.П. Фізика Досліджено кристали n-кремнію, леговані домішкою фосфору як традиційним металургійним способом (у процесі вирощування через розплав), так і методом ядерної трансмутації (перетворення ізотопів кремнію у процесі захоплення ними теплових нейтронів). Принципова відмінність трансмутаційного легування від металургійного способу легування полягає в тому, що легувальні домішки не вводяться у вихідний матеріал ззовні, а утворюються в процесі опромінення безпосередньо з атомів матеріалу, який легують. З метою відпалу радіаційних дефектів та активації атомів фосфору-31, які в об'ємі кремнію виявляють донорні властивості тільки у вузлах ґратки, трансмутаційно легований кремній попередньо піддавали технологічному відпалу за температури 850 °С протягом 2 год, а вже потім — термічним обробкам з подальшим охолодженням із різними швидкостями. Виявлено вплив як тривалості термічного відпалу, так і швидкості охолодження від температури відпалу до кімнатної на зміну структури й електрофізичних характеристик кристалів n-Si 〈P 〉, легованих через розплав і методом ядерної трансмутації. Виявлено появу дислокацій у трансмутаційно легованих кристалах Si після високотемпературного відпалу протягом 2 год і подальшого швидкого охолодження. Встановлено, що високотемпературний відпал протягом 72 год зразків Si, незалежно від способу легування домішкою фосфору, сприяє генерації глибоких донорних центрів, як при повільному, так і при швидкому охолодженні, й істотно знижує концентрацію носіїв заряду. Crystals of n-silicon doped with an impurity of phosphorus are studied both by the traditional metallur gical method (in the process of growth through a melt) and the nuclear transmutation method (conversion of silicon isotopes in the process of thermal neutron capture by them). The principal difference of the transmutation doping from the metallurgical doping method is that dopants are not introduced into the initial material from the outside, but are formed during the irradiation process directly from the atoms of the doped material. In order to anneal the radiation defects and activate the phosphorus-31 atoms, which exhibit donor pro perties only at lattice sites in the bulk of silicon, the transmutation-doped silicon was preliminarily subjected to the technological annealing at a temperature of 850 °С for 2 h, and then it was subjected to thermal treatments followed by the cooling with different rates. The effect of both the duration of a thermal annealing and the cooling rate from the annealing temperature to room one on the changes in the structure and electrophysical characteristics of n-Si 〈P〉 crystals doped through the melt and by the nuclear transmutation method is revealed. The appearance of dislocations in transmutationdoped Si crystals after the high-temperature annealing for 2 h and a subsequent rapid cooling is found. It is established that the high-temperature annealing for 72 h of Si samples, regardless of the method of phosphorus doping, contributes to the generation of deep donor centers, both during the slow and fast coolings, and significantly reduces the charge carrier concentration. Исследованы кристаллы n-кремния, легированные примесью фосфора как традиционным металлургическим способом (в процессе выращивания через расплав), так и методом ядерной трансмутации (превращение изотопов кремния в процессе захвата ими тепловых нейтронов). Принципиальное отличие трансмутационного легирования от металлургического способа легирования заключается в том, что легирующие примеси не вводятся в исходный материал извне, а образуются в процессе облучения непосредственно из атомов материала, который легируют. С целью отжига радиационных дефектов и активации атомов фосфора-31, которые в объеме кремния проявляют донорные свойства только в узлах решетки, трансмутационно легированный кремний предварительно подвергали технологическому отжигу при температуре 850 °С в течение 2 ч, а уже потом — термическим обработкам с последующим охлаждением с различными скоростями. Выявлено влияние как длительности термического отжига, так и скорости охлаждения от температуры отжига до комнатной на изменение структуры и электрофизических характеристик кристаллов n-Si 〈P〉, легированных через расплав и методом ядерной трансмутации. Обнаружено появление дислокаций в трансмутационно легированных кристаллах Si после высокотемпературного отжига в течение 2 ч и последующего быстрого охлаждения. Установлено, что высокотемпературный отжиг в течение 72 ч образцов Si, независимо от способа легирования примесью фосфора, способствует генерации глубоких донорных центров, как при медленном, так и при быстром охлаждении, и существенно снижает концентрацию носителей заряда. 2020 Article Особливості зміни структури й електрофізичних характеристик n-Si під впливом різних режимів термообробки / Г.П. Гайдар // Доповіді Національної академії наук України. — 2020. — № 5. — С. 42-51. — Бібліогр.: 14 назв. — укр. 1025-6415 DOI: doi.org/10.15407/dopovidi2020.05.042 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/170503 621.315.592 uk Доповіді НАН України Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| topic |
Фізика Фізика |
| spellingShingle |
Фізика Фізика Гайдар, Г.П. Особливості зміни структури й електрофізичних характеристик n-Si під впливом різних режимів термообробки Доповіді НАН України |
| description |
Досліджено кристали n-кремнію, леговані домішкою фосфору як традиційним металургійним способом
(у процесі вирощування через розплав), так і методом ядерної трансмутації (перетворення ізотопів кремнію у процесі захоплення ними теплових нейтронів). Принципова відмінність трансмутаційного легування від металургійного способу легування полягає в тому, що легувальні домішки не вводяться у вихідний
матеріал ззовні, а утворюються в процесі опромінення безпосередньо з атомів матеріалу, який легують.
З метою відпалу радіаційних дефектів та активації атомів фосфору-31, які в об'ємі кремнію виявляють
донорні властивості тільки у вузлах ґратки, трансмутаційно легований кремній попередньо піддавали технологічному відпалу за температури 850 °С протягом 2 год, а вже потім — термічним обробкам з подальшим охолодженням із різними швидкостями.
Виявлено вплив як тривалості термічного відпалу, так і швидкості охолодження від температури
відпалу до кімнатної на зміну структури й електрофізичних характеристик кристалів n-Si 〈P 〉, легованих через розплав і методом ядерної трансмутації. Виявлено появу дислокацій у трансмутаційно легованих
кристалах Si після високотемпературного відпалу протягом 2 год і подальшого швидкого охолодження.
Встановлено, що високотемпературний відпал протягом 72 год зразків Si, незалежно від способу легування домішкою фосфору, сприяє генерації глибоких донорних центрів, як при повільному, так і при швидкому охолодженні, й істотно знижує концентрацію носіїв заряду. |
| format |
Article |
| author |
Гайдар, Г.П. |
| author_facet |
Гайдар, Г.П. |
| author_sort |
Гайдар, Г.П. |
| title |
Особливості зміни структури й електрофізичних характеристик n-Si під впливом різних режимів термообробки |
| title_short |
Особливості зміни структури й електрофізичних характеристик n-Si під впливом різних режимів термообробки |
| title_full |
Особливості зміни структури й електрофізичних характеристик n-Si під впливом різних режимів термообробки |
| title_fullStr |
Особливості зміни структури й електрофізичних характеристик n-Si під впливом різних режимів термообробки |
| title_full_unstemmed |
Особливості зміни структури й електрофізичних характеристик n-Si під впливом різних режимів термообробки |
| title_sort |
особливості зміни структури й електрофізичних характеристик n-si під впливом різних режимів термообробки |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| publishDate |
2020 |
| topic_facet |
Фізика |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/170503 |
| citation_txt |
Особливості зміни структури й електрофізичних характеристик n-Si під впливом різних режимів термообробки / Г.П. Гайдар // Доповіді Національної академії наук України. — 2020. — № 5. — С. 42-51. — Бібліогр.: 14 назв. — укр. |
| series |
Доповіді НАН України |
| work_keys_str_mv |
AT gajdargp osoblivostízmínistrukturijelektrofízičnihharakteristiknsipídvplivomríznihrežimívtermoobrobki |
| first_indexed |
2025-07-15T05:47:06Z |
| last_indexed |
2025-07-15T05:47:06Z |
| _version_ |
1837690706105204736 |
| fulltext |
42
ОПОВІДІ
НАЦІОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМІЇ НАУК
УКРАЇНИ
ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2020. № 5: 42—51
Ц и т у в а н н я: Гайдар Г.П. Особливості зміни структури й електрофізичних характеристик n-Si під
впливом різних режимів термообробки. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2020. № 5. С. 42—51. https://doi.org/
10.15407/dopovidi2020.05.042
Кремній протягом тривалого часу був і сьогодні залишається основним матеріалом для
виробництва електронних приладів різного призначення [1, 2]. Кремній також широко ви-
користовується в таких галузях як наноелектроніка і мікропроцесорна техніка, бурхливий
розвиток яких вимагає не тільки створення нових матеріалів, а й вдосконалення тих, які
вже є. У зв’язку з цим необхідно постійно розширювати знання про властивості кремнію,
https://doi.org/10.15407/dopovidi2020.05.042
УДК 621.315.592
Г.П. Гайдар
Інститут ядерних досліджень НАН України, Київ
E-mail: gaydar@kinr.kiev.ua
Особливості зміни структури
й електрофізичних характеристик n-Si
під впливом різних режимів термообробки
Представлено академіком НАН України О.Є. Бєляєвим
Досліджено кристали n-кремнію, леговані домішкою фосфору як традиційним металургійним способом
(у процесі вирощування через розплав), так і методом ядерної трансмутації (перетворення ізотопів крем-
нію у процесі захоплення ними теплових нейтронів). Принципова відмінність трансмутаційного легуван-
ня від металургійного способу легування полягає в тому, що легувальні домішки не вводяться у вихідний
матеріал ззовні, а утворюються в процесі опромінення безпосередньо з атомів матеріалу, який легують.
З метою відпалу радіаційних дефектів та активації атомів фосфору-31, які в об'ємі кремнію виявляють
донорні властивості тільки у вузлах ґратки, трансмутаційно легований кремній попередньо піддавали тех-
нологічному відпалу за температури 850 °С протягом 2 год, а вже потім — термічним обробкам з по-
дальшим охолодженням із різними швидкостями.
Виявлено вплив як тривалості термічного відпалу, так і швидкості охолодження від температури
відпалу до кімнатної на зміну структури й електрофізичних характеристик кристалів n-Si 〈P 〉, легова-
них через розплав і методом ядерної трансмутації. Виявлено появу дислокацій у трансмутаційно легованих
кристалах Si після високотемпературного відпалу протягом 2 год і подальшого швидкого охолодження.
Встановлено, що високотемпературний відпал протягом 72 год зразків Si, незалежно від способу легуван-
ня домішкою фосфору, сприяє генерації глибоких донорних центрів, як при повільному, так і при швидкому
охолодженні, й істотно знижує концентрацію носіїв заряду.
Ключові слова: кремній, теплові нейтрони, ядерна трансмутація, термічний відпал, швидкість охолод жен-
ня, мікроструктура, холлівські параметри.
ФІЗИКА
43ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2020. № 5
Особливості зміни структури й електрофізичних характеристик n-Si під впливом різних режимів...
досліджувати методи його обробки і легування, щоб отримувати в результаті кристали
потрібного ступеня чистоти й однорідності.
Основна тенденція розвитку сучасної електроніки — безупинне збільшення ступеня
інтеграції, при цьому властивості окремого елемента все більш визначаються локальними
властивостями базового матеріалу [3]. Технології виготовлення напівпровідникових при-
ладів висувають усе більш високі вимоги до просторової однорідності параметрів вихід-
них монокристалів кремнію [4]. Це викликано тим, що досконалість кристалів (однорід-
ність властивостей за об’ємом) істотно впливає на робочі характеристики приладів і мік-
росхем на їх основі, визначає стійкість параметрів до деградації під впливом ефективних
зовнішніх полів, обумовлює якісні функціональні можливості, а також сприяє значному
розширенню сфери їх застосування.
Виробництво сучасних напівпровідникових приладів пов'язано з необхідністю вико-
ристання різних високотемпературних відпалів пластин, на основі яких створюються згада-
ні прилади [5, 6]. Ці відпали застосовують при окисленні напівпровідникових пластин у
процесі фотолітографії, у разі дифузії легувальних атомів та за умови проведення деяких
інших технологічних операцій. Такі відпали напівпровідникового матеріалу сильно впли-
вають на його електрофізичні параметри, тому кристал, на основі якого зроблено прилад,
істотно відрізняється за своїми параметрами від вихідного матеріалу. Слід також врахову-
вати, що у разі розробки послідовності необхідних відпалів здебільшого увага приділяється
вибору температур відпалу, за яких вони здійснюються, оскільки вплив високих температур
часто призводить до необоротного погіршення властивостей кристалів. При цьому вибору
оптимальних умов охолодження приділяється досить мало уваги, не дивлячись на те, що
умови охолодження істотно впливають як на структуру напівпровідникового матеріалу,
так і на характеристики приладів, що створюються на його основі.
Мета даної роботи полягала у вивченні електрофізичних параметрів і структури крис-
талів кремнію в залежності від умов їх термообробки й охолодження.
Досліджено кристали n-Si, леговані домішкою фосфору, як традиційним способом у про-
цесі вирощування через розплав (називатимемо їх звичайними зразками кремнію n-SiЗВ),
так і методом ядерної трансмутації (нейтронно трансмутаційно леговані зразки n-SiНТЛ).
Метод ядерної трансмутації базується на перетвореннях ізотопів Si у процесі захоплення
ними теплових нейтронів (En = 100 кеВ) відповідно до реакції
−βγ ⎯⎯→30 31 31Si( , ) Si Pn [7].
Принципова відмінність трансмутаційного легування від металургійного способу легуван-
ня полягає в тому, що легувальні домішки не вводяться у вихідний матеріал ззовні, а утво-
рюються в процесі опромінення безпосередньо з атомів матеріалу, який легують.
Слід зазначити, що порівняно з традиційними металургійними методами введення до-
мішки в напівпровідниковий матеріал, метод ядерної трансмутації характеризується іс тот-
ними перевагами. Зокрема, таким способом легування можна отримувати високу однорід-
ність розподілу домішок, що забезпечується випадковим розподілом ізотопів, рівномірніс-
тю нейтронного потоку і невеликими перерізами захоплення нейтронів, а також високу
точність легування завдяки пропорційності концентрації введених домішок часу опромі-
нення (у разі сталого нейтронного потоку). Типовий розкид за об'ємом трансмутаційно
легованого зливка Si діаметром 80 мм і довжиною 600 мм знаходиться в межах 3—10 %, а
за радіусом зливка не перевищує 1 %.
44 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2020. № 5
Г.П. Гайдар
Оскільки опромінення Si тепловими нейтронами в процесі трансмутаційного легуван-
ня (ТЛ) супроводжується також опроміненням швидкими нейтронами й γ-компонентою
реакторного спектра, то в результаті отримують кристали кремнію, насичені всіма відоми-
ми на даний час радіаційними дефектами. Тому, незалежно від вихідного типу матеріалу і
його параметрів, ТЛ Si безпосередньо після опромінення характеризується провідністю
р-типу і дуже малим часом життя неосновних носіїв заряду. Крім цього, після опромінен-
ня Si нейтронами ядерного реактора атоми 31Si (які спонтанно переходять в 31Р) виявляю-
ться здебільшого в міжвузловому положенні, яке відповідає електрично-неактивному стану.
Таким чином, з метою відпалу радіаційних дефектів та активації атомів фосфору 31Р, які
в об’ємі Si виявляють донорні властивості тільки у вузлах ґратки, ТЛSi необхідно піддава-
ти технологічному відпалу за температури 850 °С протягом 2 год. У зв’язку з цим надалі під
ТЛ вихідним кремнієм будемо мати на увазі Si, що пройшов (після опромінення нейтрона-
ми в ядерному реакторі) технологічний відпал. Саме такі кристали Si будуть піддаватися
високотемпературному (ВТ) відпалу з подальшим охолодженням з різними швидкостями.
Першу стадію термообробки n-Si (ρ 300K ≈ 79,5 Ом⋅см) становив ВТ відпал при
Твідп ≈ 1200 °С протягом t = 2 і 72 год з наступним швидким (зі швидкістю νохол ≈ 1000 °С/хв)
або повільним (νохол ≈ 1 °С/хв) охолодженням від температури відпалу до кімнатної. У ра зі
повільного охолодження зразок охолоджували разом із пічкою, а в разі швидкого — відпа-
лений зразок скидали в трансформаторне масло.
Друга стадія термообробки складалася з відпалу при 430 °С протягом t = 8 год з нас-
тупним охолодженням разом із піччю (низькотемпературний відпал (НТ)).
Температурні залежності концентрації і рухливості носіїв заряду для повільно охо-
лоджених зразків n-SiЗВ та n-SiНТЛ після ВТ відпалу, а також результати, до яких призво-
дить наступний НТ відпал, зображено відповідними кривими на рис. 1, а. Для швидко
охоло джених зразків аналогічні результати наведено на рис. 1, б.
З рис. 1, а, б (криві 1—3) видно, що досить тривалий (від 2 до 72 год) ВТ відпал криста-
лів n-SiЗВ, незалежно від умов охолодження, помітно знижує (приблизно в 1,5—2 рази) в
області температур рідкого азоту (77 K) концентрацію носіїв заряду. Виявлені зміни не
можна пояснити дифузією сторонньої домішки у процесі відпалу, оскільки відпал проводи-
ли за досить стерильних умов. Про це свідчать результати інших експериментів, в яких змі-
ни концентрації і рухливості, залежно від передісторії зразків та складу фонових домішок,
ніколи не виходили за межі 6—8 %.
Можна припускати, що зменшення концентрації носіїв заряду (яке виникає в результа-
ті ВТ відпалу), супроводжується незначною зміною їх рухливості (рис. 1, криві 1′—3′) і є
наслідком розпаду при 1200 °С як звичайних [8], так і ВТ [9, 10] термодонорів, які з'явилися
в зразку раніше. Лише в умовах кривої 3 (рис. 1, б), поряд з ефектом дисоціації термодоно-
рів, певний внесок у зниження концентрації носіїв заряду, ймовірно, вносить термічна гене-
рація акцепторів мілкого залягання. Такі акцептори підвищують рівень компенсації донор-
них центрів і помітно знижують в області низьких температур (рис. 1, б, крива 3′) значення
рухливості носіїв заряду.
Як видно з рис. 1, ВТ відпал тривалістю 72 год призводить до генерації глибоких до-
норних центрів, які виснажуються в повільно охолоджених зразках при 180 K (рис. 1, а,
крива 3), а в швидко охолоджених зразках — при 280 K (рис. 1, б, крива 3).
45ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2020. № 5
Особливості зміни структури й електрофізичних характеристик n-Si під впливом різних режимів...
Після ВТ відпалу, в залежності від швидкості охолодження, НТ відпал по-різному впли-
ває на властивості зразків. У повільно охолоджених зразках у результаті НТ відпалу повніс-
тю відновлюється форма залежності ne = f (1/T), а концентрація носіїв стає навіть вищою в
1,35 раза, ніж у вихідних зразках (рис. 1, а, крива 4). У швидко охолоджених зразках НТ від-
пал тільки приблизно відновлює вихідну концентрацію носіїв при збереженні слідів при-
сутності глибоких рівнів на залежності ne = f (1/T), що перешкоджає повному відновленню
її форми (рис. 1, б, крива 4).
Порівняння кривих 4 на рис. 1, а і 1, б показує, що швидке охолодження зразків після
ВТ відпалу (на відміну від повільного їх охолодження) істотно підвищує стійкість глибо-
ких донорних центрів по відношенню до НТ відпалу, а також знижує ефективність генерації
звичайних термодонорів в умовах НТ термообробки.
Слід зауважити, що не тільки повільне охолодження кристалів після ВТ відпалу, а й
сам ВТ відпал є умовою підвищення ефективності утворення звичайних термодонорів при
НТ відпалі. Такий висновок можна зробити, оскільки цей самий НТ відпал (430 °С, 8 год)
у вихідних кристалах, які не піддавали ВТ обробці, викликає зниження (рис. 1, а, крива 5),
а не підвищення, концентрації носіїв заряду порівняно з вихідними (рис. 1, а, крива 1).
Для залежностей ne = f (1/T), вимірюваних на зразках у вихідному стані (рис. 1, а і 1, б,
криві 1), характерним є зниження концентрації носіїв заряду зі зростанням температури
(аж до власної провідності), що визначається температурною залежністю холл-фактора в
цих кристалах. Деяке спрямлення зазначених кривих, що спостерігається вже після 2-х
Рис. 1. Залежності μH = f (1/T) (1′—3′) і ne = f (1/T) (1—5) для кристалів n-SiЗВ та ne = f (1/T) (1*—3*)
для кристалів n-SiНТЛ після високотемпературної обробки й повільного (1 °С/хв) (а) або швидкого
(1000 °С/хв) (б) охолодження: 1, 1′, 1* — вихідні; 2, 2′, 2* — (1200 °С, 2 год); 3, 3′, 3* — (1200 °С, 72 год);
а також після додаткового низькотемпературного відпалу: 4 — (1200 °С, 72 год + 430 °С, 8 год); 5 — від-
пал (430 °С, 8 год) вихідного кристала
46 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2020. № 5
Г.П. Гайдар
годинного ВТ відпалу (див. рис. 1, а і 1, б, криві 2), може бути результатом прояву не тіль-
ки глибоких центрів, а й наслідком зміни анізотропії розсіяння носіїв заряду на дефектах.
Однак ці причини в рамках наведених даних не розділяються, і тому питання щодо зміни
анізотропії розсіяння в результаті ВТ відпалу залишається в даному розгляді відкритим.
Основні відомості про параметри зразків трансмутаційно легованого кремнію n-SiНТЛ,
вихідного й термічно оброблених у різних режимах (при Твідп = 1200 °С протягом 2 і 72 год),
які охолоджували від температури відпалу до кімнатної з різними швидкостями (νохол = 1
і 1000 °С/хв), наведено в таблиці. На рис. 1 (криві 1*—3*) наведено температурні залеж-
ності концентрації носіїв заряду ne = f (1/T), отримані в експериментах із цими зразками.
З таблиці видно, що на відміну від рухливості, яка відносно слабко змінюється в ре-
зультаті термообробки зразків, за певних умов відпалу (й охолодження) концентрація но-
сіїв заряду ne в їх об’ємі змінюється в 1,5—3,5 раза. На конкретних прикладах температур-
них залежностей величини ne докладніше проаналізуємо ці зміни.
Візьмемо до уваги, що спадання кривих 1* і 2* (див. рис. 1) у разі підвищення темпе-
ратури (аж до настання власної провідності) цілком визначається температурною залеж-
ністю холл-фактора (тобто умовами розсіяння). Тоді загальну для кривих 2* на рис. 1, а, б і
дещо підвищену порівняно з вихідною кривою 1* крутизну спаду концентрації носіїв зі
зростанням температури (в області Т > 155 K) можна розглядати як результат зміни умов
розсіяння носіїв, що виникають у разі відпалу (1200 °C, 2 год) досліджуваних зразків з по-
дальшими швидкостями їх охолодження 1 або 1000 °C/хв. Звернемо увагу на явно не кон-
центраційний характер тих змін в умовах розсіяння, які виникають при ВТ відпалі й охоло-
дженні з двома різними швидкостями, оскільки цей ефект не залежить від того, зростає
(крива 2*, див. рис. 1, б) чи зменшується (крива 2*, див. рис. 1, а) концентрація носіїв заряду
(вимірювана в області низьких температур) у результаті відповідної термообробки.
При відпалі (1200 °C, 72 год) зразків n-SiНТЛ, як видно з рис. 1 (криві 3*), концентра-
ція носіїв заряду зменшується (порівняно з вихідною) в разі як повільного, так і швидкого
охолодження. Крім того, в обох випадках зменшення концентрації супроводжується поя-
вою в об’ємі термічно оброблених кристалів глибоких донорних центрів, як і в кристалах Si,
легованих фосфором звичайним способом n-SiЗВ (див. рис. 1, криві 3).
Поряд з електричними вимірюваннями проводили дослідження мікроструктури крис-
талів Si після різних режимів термообробки за допомогою вивчення 220-рентгенівських то-
пограмм, знятих методом Ланга (з використанням
1
Kα -випромінювання молібдену) [4], а
Параметри вихідного й термічно оброблених у різних режимах
зразків n-SiНТЛ, охолоджених після відпалу з різними швидкостями
Параметри
Умови термообробки й охолодження
Вихідний
кристал
Твідп = 1200 °С
t, год 2 72 2 72
νохол, °С/хв 1 1 1000 1000
ne77K ⋅ 10-13, см—3 5,68 3,31 6,63 1,82 6,40
μ77K, см2/В⋅с 20000 20840 20480 17260 21400
ρ77K, Ом⋅см 5,50 9,06 4,60 19,9 4,56
47ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2020. № 5
Особливості зміни структури й електрофізичних характеристик n-Si під впливом різних режимів...
також за допомогою аналізу мікрознімків поверхні після вибіркового травлення зразків
[11—13]. Для цього зразки вирізали паралельно площині (111) з одного зливка. Механічну
й хімічну обробки всіх зразків проведено в однакових умовах.
У вихідних зразках n-SiЗВ структурні дефекти не виявлено ні рентгенівським методом,
ні методом вибіркового травлення (рис. 2, а, вставка), тоді як мікроструктурний аналіз
n-SiНТЛ показав, що в таких зразках є велике скупчення дефектів, імовірно, дрібних комп-
лексів точкових дефектів (рис. 2, б, вставка).
У зразках n-SiЗВ, відпалених протягом 2 год при 1200 °С (незалежно від швидкості їх
подальшого охолодження), методом вибіркового травлення виявлено великі ямки трав-
лення, що належать виходам дислокаційних петель на поверхню кристала з відносно рів-
номірною щільністю ~106 см—2. Крім того, виявлено дрібні дуже неоднорідно розподілені
горбки, що належать, імовірно, домішковим преципітатам (див. рис. 2, а). Рентгенівська
топографія і в цих випадках структурних дефектів чітко не виявляла.
Мікроструктурний аналіз ТЛ Si показав, що в зразках n-SiНТЛ після відпалу (1200 °С,
2 год) у разі подальшого швидкого охолодження точкові дефекти і комплекси розчинили-
ся, при цьому з’явилися дислокації (див. рис. 2, б).
Після відпалу (1200 °С, 72 год) швидко й повільно охолоджені зразки n-SiЗВ проявляли
себе по-різному. Структурні дефекти в швидко охолоджених зразках на топограмах ви-
яв лялися в невеликій кількості у вигляді окремих точок (рис. 3, б, вставка), тоді як вибірко-
Рис. 2. Мікрофотографії поверхні (× 200) термооброблених (1200 °С, 2 год) зраз-
ків кремнію, легованих різними способами: а — n-SiЗВ (υохол = 1 і 1000 °С/хв);
б — n-SiНТЛ (1000 °С/хв), після вибіркового хімічного травлення. На вставках —
мікрофотографії поверхні (× 200) відповідних вихідних зразків
Рис. 3. Мікрофотографії поверхні (× 200) термооброблених (1200 °С, 72 год)
зразків n-SiЗВ з подальшим повільним (1 °С/хв) (а) або швидким (1000 °С/хв)
(б) охолодженням після вибіркового хімічного травлення. На вставках — рент-
генівські топограми (× 5) відповідних зразків
48 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2020. № 5
Г.П. Гайдар
ве травлення давало змогу виявити як дислокаційні петлі (тієї самої щільності ~ 106 см–2),
так і домішкові преципітати зі щільністю ~ 5 ⋅ 109 см–2, рівномірно розподілені за об’ємом
(рис. 3, б). Розміри ямок, зумовлених дислокаційними петлями, були в цьому випадку в
1,5—1,7 раза більшими, ніж у разі відпалу (1200 °С, 2 год), що пов’язано з різною щільніс-
тю домішок, які оточують дислокації [14].
Після відпалу (1200 °С, 72 год) у повільно охолоджених зразках n-SiЗВ структурні де-
фекти добре виявлялися як рентгенівським методом (рис. 3, а, вставка), так і методом ви-
біркового травлення (рис. 3, а). Однак на поверхні зразків після вибіркового травлення
бу ло виявлено лише ямки дислокаційних петель з такою самою щільністю ∼ 106 см—2, а
сліди домішкових преципітатів були майже відсутніми (рис. 3, а). Зате ямки, пов'язані з
дислокаційними петлями, в повільно охолоджених зразках мали більш складну структуру і
перевищували за розмірами аналогічні ямки в швидко охолоджених зразках, як видно з
порівняння рис. 3, а і 3, б.
Наведені результати, а також врахування великих швидкостей міграції точкових дефек-
тів (вакансій, дивакансій і міжвузлових атомів) за наявності слідів швидко дифундуючих
домішок (типу заліза, міді й золота) в об’ємі слабко легованих кристалів Si, майже виклю-
чають можливість проведення коректного аналізу механізмів генерації і дисоціації елект-
рично-активних киснево-домішкових комплексів без вивчення змін ступеня структурної
досконалості кристалів, які піддаються тим чи іншим термообробкам. Дислокаційні петлі,
що виникають у кристалах Si в процесі відпалів, є ефективними стоками для домішкових
атомів і точкових дефектів. Дислокаційні петлі, як і домішкові преципітати, можуть істот-
но впливати на кінетику утворення й відпалу електрично-активних киснево-домішкових
комплексів і, ймовірно, значною мірою визначають їх вплив на електрофізичні та деграда-
ційні властивості цих кристалів.
Аналіз отриманих експериментальних даних вказує на те, що утворення дислокацій них
петель і домішкових преципітатів у процесі ВТ відпалу кристалів n-SiЗВ супрово джується
генерацією невеликої кількості глибоких донорних центрів і добре вираженою дисоціацією
(інактивацією) наявних термодонорів. Це проявляється в диференційному зростанні ne з
підвищенням температури і помітному зменшенні середньої концентрації носіїв у цих крис-
талах. Наведені результати ВТ відпалу можна пов’язати зі зміною ефек тивності процесів
комплексоутворення в області підвищених температур, а також із част ковим відходом до-
мішкових атомів на ефективні стоки (дислокаційні петлі і зародки преци пі татів). Прогресу-
юче зниження концентрації ne зі зростанням тривалості ВТ обробки (від 2 до 72 год) зразків
n-SiЗВ корелює зі збільшенням (до 5 ⋅ 109 см–2) середньої щільності преципітатів.
Часова затримка підвищеної концентрації точкових дефектів в об’ємі кристала, яка до-
сягається за рахунок швидкого охолодження зразків після тривалого ВТ відпалу, створює
передумови для ефективної преципітації домішкових атомів (у тому числі й атомів кисню)
в об’ємі n-SiЗВ (див. рис. 3, б). Ця обставина ускладнює насичення коттреллівських атмо-
сфер, що оточують дислокації, до того рівня, який міг би забезпечувати їх виявлення від-
носно слабко чутливим методом рентгенівської топографії. Саме тому на вставці рис. 3, б
досить слабо проявляються сліди дислокацій, декорованих домішками. Зазначені експери-
менти вказують на те, що точкові дефекти, поряд з домішковими атомами вуглецю, можуть
виступати в ролі ефективних зародків преципітації.
49ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2020. № 5
Особливості зміни структури й електрофізичних характеристик n-Si під впливом різних режимів...
У разі повільного охолодження зразків, яке ефективно збіднює об'єм кристала зарод-
ками преципітації (через посилений відпал точкових дефектів), атоми кисню та інших до-
мішок, розчинені в кремнії, спрямовуються дифузійними потоками підвищеної щільності
на дислокаційні петлі, добре декоруючи їх (див. рис. 3, а, вставка), а також частково залиша-
ються в об'ємі кристала в розчиненому вигляді. Остання обставина (на відміну від умов
швидкого охолодження) сприяє підвищенню утворення термодонорів у разі НТ відпалу,
який слідує за ВТ відпалом і повільним охолодженням, що добре видно з порівняння кри-
вих 4 на рис. 1, а і 1, б.
Висновки. За одержаними результатами експериментів встановлено, що тривалий ВТ
відпал (1200 °С, 72 год) зразків n-Si, незалежно від способу легування домішкою фосфору,
сприяє генерації глибоких донорних центрів, у разі як повільного, так і швидкого охоло-
дження, та істотно знижує концентрацію носіїв заряду. У зразках, легованих через розплав,
концентрація зменшується в 1,5—2 рази, в трансмутаційно легованих — у 1,5—3,5 раза, при-
чому в останньому випадку ефект сильніше виражений у разі швидкого охолодження.
Методом вибіркового хімічного травлення виявлено, що в ТЛ кристалах кремнію після
ВТ відпалу тривалістю 2 год і подальшого швидкого охолодження замість сукупності точ-
кових дефектів і їх комплексів з'являються дислокації. Встановлено, що відпал (1200 °С,
72 год) залежно від умов охолодження по-різному впливає на виділення домішок в об'ємі
кристалів, легованих звичайним способом, а також на зміну їхніх властивостей у результаті
НТ відпалу (430 °С, 8 год), який слідує за ВТ обробкою.
Показано, що після відпалу (1200 °С, 72 год) у швидко охолоджених зразках кремнію,
легованих звичайним способом, розміри ямок травлення, зумовлених дислокаційними пет-
лями, в 1,5—1,7 рази більші, ніж у разі 2-х годинного ВТ відпалу, що пов'язано з різною
щільністю домішок навколо дислокацій. У повільно охолоджених зразках аналогічні ямки
травлення мали не тільки великі розміри, а й більш складну структуру.
ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА
1. Bukowski A. Czochralski-grown silicon crystals for microelectronics. Acta Physica Polonica A. 2013. 124,
№ 2. Р. 235—238. https://doi.org/10.12693/APhysPolA.124.235
2. Червоний І.Ф., Куцова В.З., Пожуєв В.І., Швець Е.Я., Носко О.А., Єгоров С.Г., Воляр Р.М. Напівпровід-
никовий кремній: теорія і технологія виробництва. Запоріжжя: Запорізька держ. інж. академія, 2009. 488 с.
3. El-Kareh B. Silicon devices and process integration. Deep submicron and nano-scale technologies. New
York: Springer Science+Business Media, LLC, 2009. 598 p.
4. Баранський П.І., Бєляєв О.Є., Гайдар Г.П., Кладько В.П., Кучук А.В. Проблеми діагностики реальних
напівпровідникових кристалів. Київ: Наук. думка, 2014. 462 c.
5. Murin L.I., Lindstrom J.L., Davies G., Markevich V.P. Evolution of radiation-induced carbon—oxygen-
related defects in silicon upon annealing: LVM studies. Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B. 2006. 253, № 1—2.
P. 210—213. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2006.10.029
6. Меженный М.В., Мильвидский М.Г., Резник В.Я. Влияние быстрого термического отжига на особен-
ности дефектообразования в пластинах кремния при создании эффективного внутреннего геттера.
Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2009. № 8. C. 49—56.
7. Шлимак И.С. Нейтронное трансмутационное легирование полупроводников: наука и приложения.
Физика твердого тела. 1999. 41, № 5. C. 794—798.
8. Бабич В.М., Блецкан Н.И., Венгер Е.Ф. Кислород в монокристаллах кремния. Київ: Інтерпрес ЛТД,
1997. 240 c.
50 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2020. № 5
Г.П. Гайдар
9. Pesola M., Lee Y.J., von Boehm J., Kaukonen M., Nieminen R.M. Structures of thermal double donors in
silicon. Phys. Rev. Lett. 2000. 84, № 23. P. 5343—5346. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.84.5343
10. Emtsev V.V., Jr., Ammerlaan C.A.J., Emtsev V.V., Oganesyan G.A., Misiuk A., Surma B., Bukowski A., Londos
C.A., Potsidi M.S. Oxygen agglomeration and formation of oxygen-related thermal donors in heat-treated
silicon. Cryst. Res. Technol. 2003. 38, № 3—5. P. 394—398. https://doi.org/10.1002/crat.200310049
11. Усенко А.Е., Юхневич А.В. Выявление микродефектов в совершенных монокристаллах кремния ме-
тодом селективного растворения. Изв. Высш. учеб. заведений. Материалы электронной техники. 2009.
№ 2. C. 38—43.
12. Nijdam A.J., Gardeniers J.G.E., Gui C., Elwenspoek M. Etching pits and dislocations in Si {111}. Sensors and
Actuators A. 2000. 86, № 3. P. 238—247. https://doi.org/10.1016/S0924-4247(00)00458-1
13. Усенко А.Е., Юхневич А.В. Особенности морфологии поверхности монокристаллов кремния при ра-
створении в кислотных полирующих травителях. Журн. общей химии. 2007. 77, № 3. C. 400—404.
14. Khorosheva M.A., Kveder V.V., Seibt M. On the nature of defects produced by motion of dislocations in
silicon. Phys. Status Solidi A. 2015. 212, № 8. P. 1695—1703. https://doi.org/10.1002/pssa.201532153
Надійшло до редакції 11.02.2020
REFERENCES
1. Bukowski, A. (2013). Czochralski-grown silicon crystals for microelectronics. Acta Physica Polonica A, 124,
No. 2, pp. 235-238. https://doi.org/10.12693/APhysPolA.124.235
2. Chervonyi, I. F., Kutsova, V. Z., Pozhuiev, V. I., Shvets, E. Ia., Nosko, O. A., Yehorov, S. H. & Voliar, R. M.
(2009). Semiconductor silicon: Theory and technology of production. Zaporozhye: Zaporizka derzhavna
inzhenerna akademiia (in Ukrainian).
3. El-Kareh, B. (2009). Silicon devices and process integration. Deep submicron and nano-scale technologies.
New York: Springer Science+Business Media, LLC.
4. Baranskii, P. I., Belyaev, O. E., Gaidar, G. P., Kladko, V. P. & Kuchuk, A. V. (2014). Problems of the diagnostics
of real semiconductor crystals. Kyiv: Naukova Dumka (in Ukrainian).
5. Murin, L. I., Lindstrom, J. L., Davies, G. & Markevich, V. P. (2006). Evolution of radiation-induced carbon—
oxygen-related defects in silicon upon annealing: LVM studies. Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B, 253,
No. 1-2, pp. 210-213. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2006.10.029
6. Mezhennyiy, M. V., Milvidskiy, M. G. & Reznik, V. Ya. (2009). The effect of fast thermal annealing on the
features of defect formation in silicon wafers while creating an efficient internal getter. Poverhnost.
Rentgenovskie, sinhrotronnyie i neytronnyie issledovaniya, No. 8, pp. 49-56 (in Russian).
7. Shlimak, I. S. (1999). Neutron transmutation doping of semiconductors: science and applications. Fizika
tverdogo tela, 41, No. 5, pp. 794-798 (in Russian).
8. Babich, V. M., Bletskan, N. I. & Venger, E. F. (1997). Oxygen in Silicon Single Crystals. Kyiv: Interpres LTD
(in Russian).
9. Pesola, M., Lee, Y. J., von Boehm, J., Kaukonen, M. & Nieminen, R. M. (2000). Structures of thermal double
donors in silicon. Phys. Rev. Lett., 84, No. 23, pp. 5343-5346. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.84.5343
10. Emtsev, V. V., Jr., Ammerlaan, C. A. J., Emtsev, V. V., Oganesyan, G. A., Misiuk, A., Surma, B., Bukowski, A.,
Londos, C. A. & Potsidi, M. S. (2003). Oxygen agglomeration and formation of oxygen-related thermal
donors in heat-treated silicon. Cryst. Res. Technol., 38, No. 3-5, pp. 394-398. https://doi.org/10.1002/
crat.200310049
11. Usenko, A. E. & Yuhnevich, A. V. (2009). Detection of microdefects in perfect single crystals of silicon by the
method of selective dissolution. Izvestiya Vyisshih uchebnyih zavedeniy. Materialyi elektronnoy tehniki,
No. 2, pp. 38-43 (in Russian).
12. Nijdam, A. J., Gardeniers, J. G. E., Gui, C. & Elwenspoek, M. (2000). Etching pits and dislocations in Si {111}.
Sensors and Actuators A, 86, No. 3, pp. 238-247. https://doi.org/10.1016/S0924-4247(00)00458-1
13. Usenko, A. E. & Yuhnevich, A. V. (2007). Features of the surface morphology of silicon single crystals when
dissolved in acid polishing etchants. Zhurnal obschey himii, 77, No. 3, pp. 400-404 (in Russian).
14. Khorosheva, M. A., Kveder, V. V. & Seibt, M. (2015). On the nature of defects produced by motion of
dislocations in silicon. Phys. Status Solidi A, 212, No. 8, pp. 1695-1703. https://doi.org/10.1002/
pssa.201532153
Received 11.02.2020
51ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2020. № 5
Особливості зміни структури й електрофізичних характеристик n-Si під впливом різних режимів...
Г.П. Гайдар
Институт ядерных исследований НАН Украины, Киев
E-mail: gaydar@kinr.kiev.ua
ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ СТРУКТУРЫ
И ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК n-Si
ПОД ВЛИЯНИЕМ РАЗНЫХ РЕЖИМОВ ТЕРМООБРАБОТКИ
Исследованы кристаллы n-кремния, легированные примесью фосфора как традиционным металлургиче-
ским способом (в процессе выращивания через расплав), так и методом ядерной трансмутации (превраще-
ние изотопов кремния в процессе захвата ими тепловых нейтронов). Принципиальное отличие трансмута-
ционного легирования от металлургического способа легирования заключается в том, что легирующие
примеси не вводятся в исходный материал извне, а образуются в процессе облучения непосредственно из
атомов материала, который легируют. С целью отжига радиационных дефектов и активации атомов
фосфора-31, которые в объеме кремния проявляют донорные свойства только в узлах решетки, трансму-
тационно легированный кремний предварительно подвергали технологическому отжигу при температуре
850 °С в течение 2 ч, а уже потом — термическим обработкам с последующим охлаждением с различными
скоростями.
Выявлено влияние как длительности термического отжига, так и скорости охлаждения от температу-
ры отжига до комнатной на изменение структуры и электрофизических характеристик кристаллов n-Si 〈P〉,
легированных через расплав и методом ядерной трансмутации. Обнаружено появление дислокаций в
трансмутационно легированных кристаллах Si после высокотемпературного отжига в течение 2 ч и по-
следующего быстрого охлаждения. Установлено, что высокотемпературный отжиг в течение 72 ч образ-
цов Si, независимо от способа легирования примесью фосфора, способствует генерации глубоких донор-
ных центров, как при медленном, так и при быстром охлаждении, и существенно снижает концентрацию
носителей заряда.
Ключевые слова: кремний, тепловые нейтроны, ядерная трансмутация, термический отжиг, скорость
охлаждения, микроструктура, холловские параметры.
G.P. Gaidar
Institute for Nuclear Research of the NAS of Ukraine, Kyiv
E-mail: gaydar@kinr.kiev.ua
PECULIARITIES OF CHANGES IN THE STRUCTURE
AND ELECTROPHYSICAL CHARACTERISTICS OF n-Si
UNDER THE EFFECT OF VARIOUS THERMAL TREATMENT REGIMES
Crystals of n-silicon doped with an impurity of phosphorus are studied both by the traditional metallur gical
method (in the process of growth through a melt) and the nuclear transmutation method (conversion of sili-
con isotopes in the process of thermal neutron capture by them). The principal difference of the transmutation
doping from the metallurgical doping method is that dopants are not introduced into the initial material from the
outside, but are formed during the irradiation process directly from the atoms of the doped material. In order
to anneal the radiation defects and activate the phosphorus-31 atoms, which exhibit donor pro perties only at lat-
tice sites in the bulk of silicon, the transmutation-doped silicon was preliminarily subjected to the technological
annealing at a temperature of 850 °С for 2 h, and then it was subjected to thermal treatments followed by the
cooling with different rates.
The effect of both the duration of a thermal annealing and the cooling rate from the annealing temperature
to room one on the changes in the structure and electrophysical characteristics of n-Si 〈P〉 crystals doped through
the melt and by the nuclear transmutation method is revealed. The appearance of dislocations in transmutation-
doped Si crystals after the high-temperature annealing for 2 h and a subsequent rapid cooling is found. It is estab-
lished that the high-temperature annealing for 72 h of Si samples, regardless of the method of phosphorus doping,
contributes to the generation of deep donor centers, both during the slow and fast coolings, and significantly re-
duces the charge carrier concentration.
Keywords: silicon, thermal neutrons, nuclear transmutation, thermal annealing, cooling rate, microstructure, Hall
parameters.
|