Об особенностях поведения атомов лантана и гафния в кремнии

Изучение влияния редкоземельных элементов (РЗЭ) на свойства полупроводниковых материалов обусловлено с одной стороны возможностью создания термостабильных материалов, с другой – способностью РЗЭ    повышать их радиационную стойкость. Хотя исследования свойств кремния, легированного РЗЭ ведутся на протяжении многих лет, интерес к этим материалам привлекает пристальное внимание ученых и по сей день. Так, выше было показано, что имеются отдельные результаты, посвященные исследованию свойств кремния, легированного иттербием, европием, эрбием [2], лантаном [1]. Среди редкоземельных элементов в кремнии самым малоизученным является лантан. До сих пор нет однозначного мнения о глубоких центрах, создаваемых лантаном в кремнии. Следует отметить, что взаимодействие атомов лантана с другими активными и неактивными примесями в кремнии вообще не изучено.

Поэтому представляет определенный интерес изучение влияния примесей редкоземельных элементов, введенных в объем кремния в процессе выращивания из расплава на поведение атомов специально введенных примесей с глубокими уровнями.

Целью данной работы являлось изучение особенностей взаимодействия атомов лантана и гафния в кремнии. Методика изготовления диодных структур, измерения и обработки спектров DLTS детально описана нами в работах [2]. Для экспериментов использовался n-Si, легированный лантаном в процессе выращивания из расплава, удельное сопротивление ρ составляло 10÷100 Ом·см, ориентация – в направлении <111>.

Измерения спектров DLTS в образцах n-Si, легированного лантаном показали, что каких-либо ГУ в заметной концентрации не наблюдается. Но в то же время, согласно результатам нейтронно-активационного анализа концентрация атомов лантана в объеме кремния достаточно высокая и составляет 3·1016 ÷ 7·1018 см-3. Эти данные подтверждают сделанное нами ранее предположение об электронейтральности атомов редкоземельных элементов в кремнии.

Для изучения влияния атомов лантана на поведение атомов гафния в кремнии проводилась диффузия Hf в интервале температур 900÷1250оС с последующей закалкой в n-Si, легированный лантаном в процессе выращивания из расплава. При тех же технологических режимах проводился отжиг контрольных образцов n-Si, без примеси гафния. Одновременно проводился отжиг и исходных образцов Si (без лантана и гафния). Выше нами было установлено, что атомы La в Siэлектронейтральны, но ВТО приводит к активации атомов лантана с образованием ГУ с Еv+0.32 эВ .Следовательно, высокотемпературная диффузия, при которой вводится гафний в Si , может активировать атомы лантана.

Рис. Спектры DLTS образцов: 1- n-Si, 2- p-Si

• 3-    n-Si +ВТО

• 6- р-Si+ВТО, 7- n-Si (контр.)

Результаты проведенных исследований иллюстрирует рис. на котором приведен типичный спектр DLTS образцов кремния, легированного лантаном и гафнием. Спектры измерены в режиме постоянного напряжения путем однократного сканирования [3]. Анализ измеренных спектров DLTS показывает, что в образцах n-Si (см. рис., кривая 1) наблюдаются два ГУ с энергиями ионизации Е_с - 0.23 эВ и Е_с - 0.28 эВ, а в p-Si - один ГУ с Е v +0.35 эВ (см рис. кривая 2). В образцах n-Si (кривая 3) и p-Si (кривая 4) наблюдается тот же энергетический спектр, что и в кремнии легированном только гафнием.

Сопоставление спектров DLTS легированных и контрольных термообработанных образцов показывает, что с атомами гафния в кремнии связаны уровни Ес-0.28 эВ и Еv+0.35 эВ. Добавим, что ГУ с энергией ионизации Ес-0.23 эВ наблюдается и в контрольных термообработанных образцах исходного кремния, то есть он является дефектом термообработки (см. рис. кривая 7). Следует отметить, что свойства кремния, легированного гафнием путем имплантации были исследованы авторами [1], но энергетический спектр уровней, создаваемых гафнием, не был определен.

Из сравнения кривых 1 и 2 с кривыми 3 и 4 приведенного рисунка следует, что наличие лантана в объеме кремния увеличивает концентрацию уровней гафния.

Термообработка образцов p-Si при тех же технологических условиях, что и диффузионное введение гафния, приводит к активации атомов лантана с образованием ГУ Е v +0.32 эВ (кривая 6). Кроме того, на спектрах DLTSтермообработанных образцов n-Si наблюдаются также ГУ с энергией ионизации Е с - 0.23 эВ (кривая 5). Следует добавить, что концентрация этого уровня в таких образцах на 1÷1.5 порядка меньше, чем в термообработанных образцах исходного Si, то есть наличие атомов лантана в кремнии уменьшает эффективность образования термодефектов.

Отсутствие уровней лантана в образцах, дополнительно легированных гафнием, объясняется, по-видимому, особенностями взаимодействия атомов La иHf в кремнии. Добавим, что наличие лантана в решетке Si увеличивает эффективность образования глубоких центров, связанных с гафнием, что обусловлено, вероятно, увеличением электроактивной доли атомов гафния. Кроме того, обнаружено, что отжиг центров гафния происходит гораздо медленнее в образцах Si по сравнению с образцами Si.

Таким образом, наличие атомов редкоземельных элементов, в частности, атомов лантана в кремнии, приводит к снижению эффективности образования термических дефектов и увеличению концентрации электроактивных атомов дополнительно введенного гафния и стабилизации параметров их уровней.

Литературы:

• 1.    Vyvenko O.F., Sachdeva R. et.al. Study of diffusivity and electrical propertiers of Zn and Hf in silicon // in: Semiconductors Silicon, 2002, The Electrochemical Society. - Penninigton, 2002. - P. 410-451.

• 2.    Mandelkorn J., Schwarts L., Broder J. et. al. Effect of impurities on radiation damage of silicon solar sells // J. Appl. Phys. - 1964. - N 7(35). - P. 22582260.

• 3.    Зайнабидинов С.З., Далиев Х.С. Дефектообразование в кремнии. - Т. Университет, 1993. - 192 с.