Проблема управления деградационными свойствами в кремнии

Деградация кремния - изменение его основных электрофизических параметров: удельного сопротивления (р), концентрации (n), подвижность (а) и времени жизни носителей заряда (т). Величины изменений указанных параметров зависят от технологических режимов получения кремния, режимов эксплуатации, условий хранения, а также от технологии изготовления приборов на его основе. Проблема управления деградационными свойствами в кремнии в настоящее время полностью не решена, несмотря на то, что она всегда была одной из главных проблем как в технологии получения полупроводниковых материалов, так и приборов на их основе [1,2].

Наиболее часто встречающимися методами в технологии получения полупроводниковых материалов являются термообработка и радиационное облучение, рисунок 1. Полупроводниковые материалы и приборы подвергаются термообработке на различных этапах технологии их изготовления (создание p-n перехода и контактов, окисление, изготовление корпуса прибора и т.д.), а также в процессе эксплуатации (высокотемпературные режимы). При этом в решетке кристалла происходят различные процессы, стимулированные нагревом: диффузия, перезарядка активных центров (изменяется τ), активация нейтральных примесей, образование и распад различных комплексов и ассоциатов (изменяется p и n ), возникновение локальных флуктуаций механических напряжений (изменяется μ), различные взаимодействия, обусловленные химическими реакциями, структурные превращения и т.д. Все эти явления, как правило, протекают в неравновесных условиях и приводят к изменениям в тонкой структуре полупроводникового материала, что обусловливает деградацию его свойств и приборов на его основе.

В процессе термообработки в интервале температур 300-1300°С в монокристалле кремния возникают различные виды термодефектов (ТД), создающие мелкие и глубокие энергические уровни, которые существенно изменяют электрические, рекомбинационные и другие характеристики кремния. В зависимости от кинетики образования, концентрации и природы ТД из всего температурного интервала можно условно выделить три температурных диапазона возникновения ТД: 1) 300-500°С, 2) 600-800°С, 3)900-1300°С.

Рис. 1. Основные методы введения дефектов в кристаллическую решетку

Образование ТД при термообработке кремния в 1 диапазоне температур связывается с наличием растворенного в нем кислорода и происходит, согласно модели Кайзера, вследствие объединения атомов кислорода, находящегося в решетке кремния в диспергированном состоянии, в комплексы Si-O4 с концентрацией до 5·1016см-3, обладающие донорными свойствами.

В следующем температурном диапазоне - наблюдается повторное образование термодоноров, отличных от тех, что формируются в 1 диапазоне температур. Образованные при низких температурах термодоноры при температурах 600-800°С разрушаются; новые термодоноры, получившие название «новых кислородных доноров», представляют собой образования новой фазы (SiOx). Однако при Т ≥ 900 °С наблюдается аннигиляция оставшихся после выращивания термодоноров. Преобразования в системе кислородосодержащих преципитатов определяются наличием зародышей, соответствующего строения, критических размеров, концентрация которых, в свою очередь, зависит от температуры и концентрации межузельного кислорода. На эти процессы влияет и наличие углерода, который может выходить из узельного состояния за счет замещения его межузельным кремнием, образовавшимся при снятии напряжения при росте кислородного преципитата (осадка); этот межузельный углерод может легко диффундировать к кислородному преципитату, присоединяться к нему и менять его электрическую активность.

На рисунке 2 приведена температурная зависимость максимальной концентрации электронов проводимости, появление которых обусловлено образование ТД в кристаллах кремния с разной концентрацией кислорода за 1 ч. отжига в атмосфере азота. Первый максимум при 450°С относится к ТД, а второй, более широкий, в области 750°С связан с образованием новых ТД.

Рис. 2. Концентрация ТД, образованных за 1 час отжига в интервале температур 300-900°С в кристаллах кремния с различным содержанием кислорода N 0 , 10¹⁸см^-3: 1 - 2,0; 2 - 1,85; 3-1,6; 4 - 1,2.

Также при повышении температуры выше 900°С образуются высокотемпературные или закалочные дефекты. Концентрация таких дефектов зависит от температуры, времени отжига и скорости охлаждения: - с ростом последних она увеличивается и достигает ~ 1015см-3. Эти ТД в основном связывают с диффузией различных металлических примесей (Fe, Au, Сu, Сr и т.д.) с поверхности образцов и «активацией» их в объеме кристалла. Однако на основе комплексного исследования свойств кремния, термообработанного в интервале температуре 800-1300°С с различной скоростью охлаждения (~ 101 - 102 °С/с), показано, что ТД не могут быть образованы лишь электрически активными примесями типа Fe, Au, Сu, Сr и т.д. или вакансиями, дивакансиями, вакансионно-примесными комплексами, а связаны с комплексами точечного и неточечного типа, в образовании которых принимают участие электрически неактивная примесь кислорода и атомы основного вещества - кремния.

Таким образом, из вышеизложенного следует, что проблема управления деградационными свойствами полупроводников, и, в особенности, кремния, являющегося самым широко используемым полупроводниковым материалом, далека от своего решения.