Воздействие вольфрамового покрытия на свойства высокоомного компенсированного кремния тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Расмагин, Сергей Иосифович

• Расмагин, Сергей Иосифович
• кандидат физико-математических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Расмагин, Сергей Иосифович

Введение.

Глава 1. Основные сведения о состоянии вольфрама и золота в кремнии.

1.1 Влияние атомов вольфрама на свойства кремния.

1.2 Механизмы диффузии атомов золота в кремнии.

1.3 Растворимость золота в электрически активном состоянии.

1.4 Энергетические уровни атомов золота в кремнии.

Глава 2. Экспериментальная часть.

2.1 Классификация и способ приготовления образцов.

2.2 Методы измерений параметров материала.

2.3 Техническое воплощение метода СВЧ-поля.

2.4 Достоверность измеряемых величин ВРФ.

Глава 3. Электрофизические свойства кремния после вхождения примесей.

3.1 Электрофизические свойства исходного и термообра-ботанного кремния со свободной поверхностью.

3.2 Электрофизические свойства термообработанного кремния при наличии на поверхности слоя вольфрама.

3.3 Электрофизические свойства образцов кремния, прошедших диффузию золота в исходный кремний со свободной поверхностью.

3.4 Электрофизические свойства образцов кремния, прошедших диффузию золота в предварительно термообработанный кремний со свободной поверхностью.

3.5 Электрофизические свойства образцов кремния, прошедших диффузию золота предварительно термообработанный кремний с поверхностным слоем вольфрама.

3.6 Электрофизические свойства образцов кремния, прошедших диффузию золота в исходный кремний при наличии на поверхности слоя вольфрама.

Глава 4. Взаимовлияние примесей.

4.1 Анализ свойств исходного и термообработанного кремния со свободной поверхностью.

4.2 Анализ свойств термообработанного кремния при наличии на поверхности слоя вольфрама.

4.3 Анализ свойств образцов кремния, прошедших диффузию золота в исходный кремний со свободной поверхностью.

4.4 Анализ свойств образцов кремния, прошедших диффузию золота в предварительно термообработанный кремний со свободной поверхностью.

4.5 Анализ свойств образцов кремния, прошедших диффузию золота в предварительно термообработанный кремний с поверхностным слоем вольфрама.

4.6 Анализ свойств образцов кремния, прошедших диффузию золота в исходный кремний при наличии на поверхности слоя вольфрама.

4.7 Сравнительный анализ электрофизических свойств образцов кремния, принадлежащих к разным группам.

4.8 Термостабильность и радиационностойкость удельного сопротивления и времени жизни носителей в кремнии, легированном золотом и вольфрамом.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Воздействие вольфрамового покрытия на свойства высокоомного компенсированного кремния»

Актуальность проблемы.

Широкое применение полупроводниковых материалов в микроэлектронике делает необходимым тщательное исследование электрофизических свойств полупроводников. Электрофизические свойства полупроводников определяются различными дефектами, например, атомами других элементов, отличных от материала основного вещества, межузельными атомами основного полупроводникового материала, комплексами примесных атомов с вакансиями. Влияние дефектов (примесей) на электрофизические свойства особенно сильно проявляются, когда возникают соответствующие энергетические уровни в запрещенной зоне полупроводника, которые влияют на время жизни носителей заряда и на величину удельного сопротивления.

В настоящее время серьезно изучается взаимовлияние примесей в полупроводниках. Так, например, изучалось поведение меди, золота, платины, вольфрама, железа в кремнии и их взаимодействии с механическими напряжениями. Вольфрам может образовывать дефектные состояния, которые могут влиять на диффузию золота и состояния золота с этими дефектами. В микроэлектронике вольфрам начинают применять при создании больших интегральных схем. Поэтому, важно изучить влияние атомов вольфрама на электрические свойства кремния при высокотемпературных обработках. Золото как примесь в кремнии в одних ситуациях является технологически необходимой, в других оно нежелательно, так как ухудшает качество электронных приборов. Например, свойство примесных центров золота уменьшать время жизни неосновных носителей заряда и увеличивать удельное сопротивление кремния электронного типа проводимости используется в быстродействующих переключающихся приборах, в мощных высоковольтных силовых устройствах; свойство атомов золота образовывать глубокие уровни в запрещенной зоне кремния используют при создании фотоприемников в инфракрасном диапазоне излучений (2 мкм). С другой стороны, глубокие уровни, созданные атомами золота в кремнии, увеличивают токи утечки при воздействии приложенного обратного напряжения в полупроводниковых приборах. В данной работе изучали две примеси золото и вольфрам, необходимых для создания радиационностойкого и термостабильного по удельному сопротивлению и времени жизни носителей кремния, который в дальнейшем используется для изготовления p-i-n диодов. Что является актуальной научной проблемой и имеет большое практическое применение. Основные цели работы.

1) Выяснение возможности получения высокого удельного сопротивления подбором физических приемов создания кремния

2) Исследование фотопроводимости кремния, легированного золотом и вольфрамом, для определения времени жизни носителей заряда и возможности его уменьшения

3) Изучение процессов взаимодействия примесей золота и вольфрама в результате их диффузии в кремний

Практическая значимость работы.

1. Возможность получения высокоомного кремния термостабильного и радиационностойкого по времени жизни носителей и удельному сопротивлению.

2. Предложен бесконтактный неразрушающий метод для определения релаксации фотопроводимости в кремнии, прошедшим термообработку, диффузию золота в присутствии вольфрамового покрытия и без него.

3. Показана возможность использования полученного кремния для создания структур различного назначения, в частности p-i-n диодов.

Положения, выносимые на защиту. 1) Установлено, что центры, созданные атомами вольфрама в процессе термообработки, увеличивают показатель степени температурной зависимости сечения захвата электронов на донорный уровень термодефектов.

2) Обнаружена корреляция между величиной показателя степени температурной зависимости сечения захвата носителей заряда и величиной времени жизни носителей.

3) Определены бесконтактным неразрушающим методом в высокоомном компенсированном кремнии три уровня Е=Ес-(0.23±0.02) эВ, Е=Ес-(0.17±0.02) эВ,Е=Ес-(0.11±0.01)эВ

4) Показано, что атомы вольфрама способствуют созданию таких комплексов золота, у которых величина сечения захвата дырок меньше, чем у комплексов золота, созданных без влияния атомов вольфрама.

5) Установлено влияние атомов вольфрама на термостабильность и радиационностойкость по удельному сопротивлению и времени жизни носителей в кремнии.

Апробация работы.

Основные положения работы докладывались и обсуждались на конференциях «Надежность и контроль качества изделий электронной техники», г. Севастополь, « Научная сессия МИФИ-98 « и «Научная сессия МИФИ-99» г. Москва, на научно-техническом семинаре «Системы обработки и моделирование сигнала», г. Псков. Результаты, полученные в работе, использованы в отчетах 3 НИР. Публикации.

Результаты исследований опубликованы в 7 научных работах. Объем и структура диссертации.

Работа изложена на 16? страницах машинописного текста, включает 27 рисунков и 4 таблицы. Состоит из четырех глав, вывода, списка используемой литературы.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Расмагин, Сергей Иосифович

Общие выводы.

Было проведено комплексное исследование влияния вольфрамового покрытия на параметры центров рекомбинации и уровней прилипания в системах кремний-вольфрам, кремний-золото-вольфрам. В результате проведенного сравнительного анализа электрофизических свойств образцов кремния, прошедших разные высокотемпературные процессы, приходим к следующим общим выводам:

1) На основании анализа полученных экспериментальных данных обнаружен уровень,вероятно связанный с вольфрамом, с энергией ионизации Ew=Ec-(0.23± 0.02) эВ.

2) Помимо уровней, связанных с золотом и вольфрамом, определены бесконтактным (СВЧ) неразрушающим методом в высокоомном кремнии энергия ионизации комплекса кислород+вакансия равная Eo+v=Ec-(0.17+0.02) эВ и энергия ионизации Е=Ес-(0.11±0.01) эВ.

3) На основании измерений времени жизни носителей, концентрации атомов золота и расчета величин сечения захвата дырок показано, что атомы вольфрама способствуют созданию таких комплексов золота, у которых величина сечения захвата дырок меньше, чем у комплексов золота, созданных без влияния атомов вольфрама.

4) Изготовлен высокоомный, термостабильный и радиационностойкий по времени жизни носителей и удельному сопротивлению кремний, пригодный для использования в микроэлектронике.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Расмагин, Сергей Иосифович, 2000 год

1. Зибуц Ю.А., Парицкий Л.Г., Рыбкин С.М. Фотоэлектрические свойства кремния с примесями меди, вольфрама и платины//ФТТЛ966.Т.8.№9.С.2549-2551.

2. Fujisaki Y., Ando T.,Rozuka Y., Takano Y. Characterization of tungsten-related deep levels in bulk silicon crystal // J.Appl.Phys.l988.V.63. n7.P.2304-2306.

3. Быковский Ю.А., Зуев B.B., Кирюхин А.Д. и др. Отрицательная дифференциальная проводимость при захвате на отталкивающие центры в условиях двойной инжекции // ФТП.1972.Т.6.№12.С.2332-2334.

4. Воронкова Г.М., Зуев В.В., Кирюхин А.Д., и др. Действие вольфрамового покрытия при высокотемпературной термообработке кремния на рекомбинационные и спектральные характеристики //Неорганические Материалы. 1997.Т.6.№ 11 .С. 1285-1290.

5. Bemski G. Recombination properties of gold in silicon //Physical Review. 1958.V. 111 .п.б.Р. 1515.

6. W.C. Dash, J. Appl. Phys .,31,2275, 1960

7. V. Gosel, W. Frank, Appl. Phys., 23, 361, 1980

8. J. Struthers, J. Appl. Phys. 27, 1560, 1956

9. И. Броудай, Дж. Мерей. Физические основы микротехнологии. Москва »Мир» 1985

10. Болтакс Б.И. Диффузия и точечные дефекты в полупроводниках, Ленинград, 1972

11. Е.А. Taft, F.H. Horn, Gold as Donor in Silicon, Phys.Rev. 1954,v.93, N1, p.64.

12. J .Burton, J. Physica, 1954, 28, p.845.

13. C.B. Collins, R.O. Carlson, C.J. Gallagher, Properties of Gold-Doped Silicon, Phys. Rev., 1957, 105,p,1168.

14. W.D. Davis, Lifetimes and Captur Cross Sections in Gold-Doped Silicon, Physical Review, 1959, v.l 14, n.4

15. A.F. Tasch, С.Т. Sah, Recombination-Generation and Optical Properties of Gold Accepterin Silicon, Physical Review B, 1970, v.l, n.3

16. S. Sato, C.T. Sah, J.Applied Physics, 1970, v.41, n.10

17. O.Engstrom, H. G. Grimmeiss, Temperature dependence of gold accepter energy level in silicon, J.Applied Physics, 1974, V.25, N.7, P.413-415

18. L.C. Parillo, W.C. Johnson, J. Applied Phys. Lett., 1972, v.20, n.104

19. C.T. Sah, Т.Н. Ning, L.L. Rosier, L. Forbes, Solid State Commun., 1971, 9,917

20. S.D. Brotherton, J. Bicknell, The electron capture cross section and level of the gold acceptor center in silicon, J. Appl. Phys., 1978,49(2), P.667-671.

21. A.Kukimoto, C.H. Henry, F.R. Merritt, Phys. Rev. B, 1973, 7, 2499

22. J.A. Pals, Solid State Electronic, 1974, 17, 1139

23. S.D. Brotherton, Solid State Electronic, 1976,19, 341

24. J.M.Fairfield, B.V. Gokhale , Solid State Electronic, 1968, 8, 685

25. H.I. Ralph, J. Appl. Phys., 1978,49, 672

26. D.V. Lang, H.G.Grimmeiss, E.Meijer, M. Jaros, Complex nature of gold-related deep levels in silicon, Physical Review B, 1980, V.22, N.7, P.3917-3934.

27. C.T.Sah, C.T. Wang, J. Appl. Phys., 1975, 46, 1767

28. L.C. Kimerling, Radiation Effect in Semiconductor, 1976, London, P.221

29. L.A.Ledebo, Zhan-Guo Wang, Evidence that the gold donor and acceptor in silicon are two levels of same defect, Appl. Phys. Lett., 1983, 42(8), P.680-683.

30. Ming-fu Li, Jian-xin Chen, Yu-shu Yao, Au accepter levels in Si under pressure, J. Appl. Phys., 58(7), P.2599-2602.

31. A.Zylberztejn, R.W. Wallis, J.M. Benson, Appl. Phys. Lett., 1981, 32, 764

32. W. Jantsch, K. Wunstel, O.Kumagaai, P. Vogl, Phys. Rev. B, 25, 5515, 1982

33. X.C. Yau, G.G. Qin, S.R. Zeng, Acta Phys. Sin., 1984, 33, 377

34. Luke Su Lu, Chih-Tang Sah, Thermal emission and capture rates of holes at the gold donor level in silicon, J.Appl. Phys., 1987, 62 (12), P.4773-4780.

35. G.L. Miller, D.V. Lang, L.C. Kimberling, Annu. Rev. Matter Sci. 7, 377, 1977

36. D.Brotherton, P.Bradly, J.Appl. Phys, 1982, 53, P.1543.

37. R.H. Wu, A.R. Peaker, Solid State Elecronic, 1982, 25, P.643-649.

38. J.R. Morant, J.E. Carceller, A. Herms, Dependence of the electron cross section for the acceptor gold level in silicon on the gold to donor ratio, Appl. Phys. Lett., 1982, 41(7), P.656-658.

39. G.A. Samara, C.E. Barnes, Pressure dependence of impurity levels in semiconductors, Physical Review B, 1987, V.35, N.14, P.7575-7584.

40. S.H. Sah, L.Forbes, Solid State Elecronic, 13, 759, 1970

41. D.V. Lang, Deep-level transient spectroscopy, J.Appl. Phys., 1974, 45, P.3023-3033

42. O.Engsrom, H. G. Grimmeiss, J. Appl. Phys. 1975, 46, P.831

43. P. van Staa,R. Kassing, Solid State Commun., 1984, 50, P. 1051

44. V. Kalyanaraman, V. Kumar, Phys. Status Solidi A, 1982 ,70, P.317

45. Милне А. Примеси с глубокими уровнями в полупроводниках. Москва, Мир, 1977.

46. В.Л. Бонч Бруевич, С.Г. Калашников. Физика полупроводников. Москва Наука, 1990 г.

47. М. Lax's, Second Symposium of Simiconductors, Washington, D.C., October, 1956

48. H.G.Grimmeiss, E.Janzen, J.Appl. Phys., 1980, 5, P.3740

49. C.H. Henry, D.V. Lang, Phys. Rev. B, 1977, 15, P.989

50. В. K. Ridley, J. Phys., 1978, 11, P.2323

51. G.D. Watkins, Physica, 1983,117,P.1183

52. H.Weman, A.Henry, T.Begum, B.Monemar, Electical and optical properties of gold-doped n-type silicon, J.Appl.Phys., 1989, 65(1), P. 137-145.

53. C.T. Sah, L.Forbes, L.L Rosier, A.F. Tasch, Appl. Phys. Lett., 1969, 15, P.145

54. S. Braun, H.G. Grimmeiss, J. Appl. Phys., 1974, 45, P.2658

55. J.Utzig, W. Sehroter, Appl. Phys. Lett., 1984, 45, P.76

56. S.D. Brotherton, P. Bradley, A. Gill, E.R.Weber, J. Appl. Phys., 1984, 55, P.952

57. W.C. Dash, J. Appl. Phys., 1960, 31, P.2275133

58. V. Gosel, W. Frank, Appl. Phys., 23, 1980, P.361

59. B.B. Аристов, И.Е. Бондаренко, Физика твердого тела А, 102, С.687, 1987

60. И.Е. Покровский, Физика твердого тела А, 11, С.385, 1972

61. A. Mesli, Е. Courcell, Process-induced and accepter defects in silicon, Physical Review B, 1987, 36, N.15, P.8049-8062.

62. L.D. Yau, C.T. Sah, Solid-State Electronic, 17, 193, 1974

63. R. Kassing, L.Cohan, P. Van Staa, Appl. Phys. A, 34, 41, 1980

64. Абакумов B.H., Перель В.И., Яссиевич И.Н. Физика и техника полупроводников, 12,3, 1978

65. Абакумов В.Н., Перель В.И., Яссиевич И.Н. Захват носителей заряда на притягивающие центры в полупроводниках //Физика и техника полупроводников. 1978. Т.1 С.3-21.

66. Абакумов В.Н., Яссиевич И.Н. Захват носителей заряда на притягивающие центры в полупроводниках при оптическом облучении //Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1976. Т.71. С.657-664.

67. R.M. Fenestra, S.T.Pantelides, Phys.Rev. В 31, 4083, 1984

68. N.A. Stolwijk, J. Holzl, W. Franck, Appl. Phys. A, 39, 37, 1986

69. Хитрень М.И., Зозуля Б.И. Влияние термической обработки кремния, легированного золотом, на его параметры. ФТП, 1967, 1, С.838.

70. Болтакс Б.И., Джафаров Т.Д., Усов О.Н. Влияние распада твердого раствора золота в кремнии на инфракрасный спектр колебаний кислорода. ФТТ, 1969, 11, 4, С.889

71. Бадалов А.З., Шуман В.Б. Влияние комплексообразования на распад твердого раствора Au-Si. ФТТ, 1970, 12, 7, С.2116

72. Бадалов А.З. ФТП, 1972, 6, 789

73. Баграев Н.Т., Власенко JI.C., Лебедев А.А. Распад твердого раствора золота в кремнии. ЖТФ, 1985, 55, 11, С.2149

74. Махкамов Ш., Турсунов Н.А., Ашуров М., Маманова М., Мартынченко С.В. Исследование влияния радиационной и термической обработки на состояние центров золота в кремнии. ФТП, 1994, 28, С.2156

75. Павлов Л.П. Методы определения основных параметров полупроводниковых материалов. Москва, 1975, Высшая школа.

76. Youchi Tamura, Chihiro Hamaguchi. International Conference, Tokyo, 1986, P.655-658

77. Заварицкая B.A., Кудинов A.B., ФТП, 1984, т. 18, в. 12, С.2160-2165

78. М. Kunst, В. Beck The study of charge carrier kinetics in semiconductors by microwave conductivity measurements. J. Appl. Phys., V. 60, N.10, P.3558(1986); V.63, N.4, P.1093(1988)

79. Быковский Ю.А., Воронкова Г.М., Зуев B.B., Кирюхин А.Д., Клышевич А.И., Расмагин С.И., Яковлев М.П. Определение рекомбинационных параметров полупроводникового материала при лазерном воздействии в микроволновом поле, Препринт 007-92, МИФИ, 1992

80. Рыбкин С.М. Фотоэлектрические явления в полупроводниках, ГИФМЛ, Москва

81. Р. Смит, Полупроводники, Москва, Мир, 1972

82. Лебедев И.В., Техника и приборы СВЧ, т.1, Москва, 1970

83. Пчельников Ю.Н., Свиридов В.Т., Электроника СВЧ, М. Радио, 1970

84. Быковский Ю.А., Колосов В.В., Зуев В.В., Кирюхин А.Д., Расмагин С.И. Определение рекомбинационных параметров полупроводникового материала с помощью метода Прони. ЖТФ, т.69, вып.4, С.54-59

85. Физические величины. Справочник, Москва, Энергоатомиздат, 1991

86. Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников. Москва, Наука, 1990

87. Расмагин С.И. Определение параметров фотоответа в сложнолегированном кремнии методом СВЧ-техники. Дипломная работа, МИФИ, 1988

88. Dudeck I., Kassing R., Solid-State Electronics, 1977, 20, P. 1033135

89. Антонова И.В., Мисюк. А., Попов В.П. Исследование процесса формирования кислородных преципитатов в кремнии. ФТП.1997.Т.31.№38.С.998-1002

90. Схема приготовления образцов кремния для исследования влияния высокотемпературных процессов на основные параметры (удельное сопротивление, время релаксации фотопроводимости) в условиях свободной поверхности и при наличии на поверхности слоя вольфрама.