Investigations of complex defect formation in silicon alloyed with nickel.pdf Введение В настоящее время прилагаются значительные усилия для разработки методов геттерирования и пассивации с целью удаления примесей из активной области кремниевого устройства. Для изучения эффекта данных методов необходимо знать диффузионные и электрические свойства примесей внутри кристалла кремния [1, 2]. Наноструктурированные оксиды металлов также активно изучаются как для научных целей, так и для потенциальных приложений [3]. Оксиды металлов могут принимать большое разнообразие структурных геометрий с электронной структурой, которая может проявлять металлические, полупроводниковые или изоляционные характеристики, в зависимости от их химических и физических свойств [4]. Полупроводники, легированные переходными металлами, привлекли большое внимание из-за их важных применений в различных приборах, таких как УФ-детекторы, полевые транзисторы, коротковолновые лазеры, высокочувствительные химические датчики и нелинейные варисторы. Таким образом, изучение примесей переходных металлов, в частности никеля, кобальта, меди, становится все более важным для полупроводниковой технологии. Как известно, никель имеет самый высокий коэффициент диффузии и растворимость, даже при комнатной температуре он легко диффундирует в кристаллическую решетку [5]. Диффузия никеля в кремнии приводит к созданию глубоких энергетических уровней (ГУ). Долгие годы ученые исследовали энергетические уровни никеля в кремнии, пытаясь понять природу возникновения различных дефектов. До сегодняшнего дня с помощью методов Холла и DLTS наблюдались два уровня никеля в кремнии: донорный уровень при эВ и акцепторный уровень при эВ. Кроме того, обнаружен третий двойной акцепторный уровень никеля при эВ [6]. Примеси переходных металлов, в частности Ni в Si, изучаются давно, и свойства изолированных атомов изучены также достаточно хорошо. Но в то же время недостаточно информации о природе соединений никеля с водородом (Ni-H), в которых H выступает в роли пассиватора, и до сегодняшнего дня ни исследовались комплексные дефекты Ni-H в Si методом рамановской спектроскопии. Поэтому в данной работе поставлена задача восполнить недостающий объем информации об идентификации дефектов, связанных с никелем, и их взаимодействии с водородом в кремнии методом DLTS и структурного анализа. Описание объекта и методов исследования Для исследования были изготовлены подложки в виде пластинок n- и p-типа кремния, выращенные методом Чохральского, размером 10×5 мм и толщиной 2 мм. Легирование образцов Si примесями Ni осуществлялось методом термодиффузии при температуре от 800 до 1150 °C в течение 2-5 ч. Перед изготовлением контакта Шоттки образцы были подвергнуты жидкому химическому травлению (ЖХТ) смеси HF:HNO3:CH3COOH в пропорции 3:5:3 (CP-4) в течение 3-10 мин. Известно, что травление в CP-4 происходит с участием водорода в тонком слое под поверхностью образца [7]. После травления и изготовления контактов образцы отжигались в течение 20 мин при температуре 120 °C. При этой температуре водород диффундирует в глубь образца. Анализ химического состава и кристаллической структуры кремния, легированного атомами никеля, проводился с использованием спектроскопии комбинационного рассеяния света (КРС) на InVia Raman Spectrometer (производства компании «Renishaw», Великобритания) при возбуждении линиями лазера (RL785 Class ЗВ Laser) с длиной волны излучения 785 нм в диапазоне частот 100-1500 см-1. В процессе измерений использовалась дифракционная решетка с периодом 1200 линий/мм, а в качестве регистрирующего устройства - штатный детектор Renishaw CCD Camera. Описание и анализ результатов спектра комбинационного рассеяния Спектроскопия комбинационного рассеяния света представляет собой универсальный метод обнаружения включений легирующих примесей, дефектов и беспорядков в основной решетке [8]. На рис. 1, a представлен спектр рамановского рассеяния кремния, легированного никелем. Рис. 1. Спектры рамановского рассеяния образца Si (a) и разложения полосы 940-980 см-1 по распределению Лоренца (б) Полосы с максимумами около 146, 303, 521, 628, 668 см-1 связаны с монокристаллическим кремнием [9]. Кроме того, на полученном спектре (рис. 1, a) присутствует широкий пик при 925-985 см-1. В результате разложения пика при 925-985 см-1 с помощью функции Лоренца были обнаружены четыре колебания при 925, 940, 954 и 978 см-1 (рис. 1, б). Аналогичный пик в диапазоне 940-980 см-1 был обнаружен и в работах [10, 11]. Авторы отнесли этот пик к соединению Si-ОН. Как было указано выше, поскольку атомы водорода могут проникать на поверхность кристалла кремния, то полосу в диапазоне 925-985 см-1 также можно отнести к колебанию связанного с атомами водорода. Как известно, в кремнии также присутствуют базовые примеси, такие как кислород, порядка 1015-1018, которые всегда взаимодействуют с другими атомами в кристалле. Поэтому в данной работе мы наблюдали спектры соединения никеля и кислорода. Спектроскопия КРС соединения NiO выдает пики около 516, 925, 1172 см-1 (рис. 1, a). Авторы работы [12] исследовали спектр рамановского рассеяния света при комнатной температуре для объемного NiO, который состоит из нескольких полос: одномагнонной (1M) полосы при ~ 34 см-1; пяти колебательных полос - однофононной (1P) TO при 440 см-1 и LO при 560 см-1, двухфононной (2P) 2TO при 740 см-1, TO+LO при 925 см-1 и 2LO при 1100 см-1 режимах; одномагнонной (М) полосы ~ 40 см-1. Пики, наблюдаемые при 925 и 1172 см-1 в рамановском спектре настоящего исследования, можно отнести к моде TO+LO, 2LO NiO. Сдвиги пиков комбинационного рассеяния по сравнению с объемным NiO можно объяснить комбинированным действием эффекта удержания фононов (т.е. ослаблением правила выбора и рассеянием на фононах, существующих в области, ограниченной , где d - размер кристалла вокруг центра первой зоны Бриллюэна) и комбинационного рассеяния света, индуцированного дефектами. Если обратить внимание на то, что пик 925 см-1 образовался в широкой полосе при 925-985 см-1, то это говорит о том, что на поверхности кристалла кремния, легированного атомами примеси никеля, образуются соединения, связанные с никелем и водородом. Нестационарная емкостная спектроскопия Результаты проведенных измерений спектров DLTS образцов n-Si и p-Si в различных состояниях приведены на рис. 2 и 3. Спектр исходных образцов n-Si (рис. 2, кривая 1) показывает один пик А при 167 К c энергией ионизации эВ, которая связана с техническими неконтролируемыми примесями (ТНП). Такой ГУ также регистрировался в работе [13] с энергией эВ при 165 К. После диффузионного легирования Ni в образцах n-Si (рис. 1, кривая 2) образовался глубокий акцепторный уровень Ni с энергией ионизации эВ (пик B) при 240 К. При введении водорода в образцах n-Si наблюдались дополнительно два ГУ: эВ при температуре 98 К (пик С) и эВ при 273 К (пик D). Согласно [6], на спектрах DLTS характерные ГУ комплексных дефектов, связанные с атомами NiH и NiH2, образуются с эВ при 90 К и эВ при 270 К соответственно, что хорошо согласуется с полученными результатами в данной работе. Также в работах [14] исследовали ГУ эВ, но автор идентифицирует его как термодефект. Уменьшение концентрации уровня Ni в образцах n-Si объясняется процессом пассивации дефектов водородом. Также наблюдается полная пассивация водородом уровня эВ [15, 16]. DLTS-спектры образцов p-типа Si представлены на рис. 3. Как видно из рисунка, исходные образцы p-Si (кривая 1) создают ГУ с энергией ионизации эВ при 230 К (пик F), связанный с ТНП. Донорный ГУ Ni наблюдается в образцах p-Si при диффузии с энергией ионизации эВ при 80 К (рис. 3, кривая 1, пик G). А в образцах p-Si после введения водорода спектр показывает два новых ГУ с энергиями эВ при 155 К (пик H) и эВ при 280 К (пик J), высота которых изменялась при изменении длительности процесса ЖХТ. Так как в спектре DLTS высота пика характеризуется концентрацией данного ГУ, то можно сделать вывод, что пики Н и J связаны с комплексными дефектами Ni-H, что также согласуется с результатами работы [6]. Эти уровни, как и в кремнии p-типа, создаются за счет пассивации атомами водорода. Рис. 2. Спектры DLTS образцов Si n-типа Рис. 3. Спектры DLTS образцов Si p-типа Заключение Таким образом, обнаружено, что диффузионное легирование Ni в Si приводит к образованию двух глубоких уровней с энергиями эВ и эВ. Выявлено, что после намеренного введения водорода в образцах наблюдаются четыре дополнительных пика DLTS. Анализ спектров КРС показал, что присутствие атомов водорода и никеля в кремнии приводит к изменению структуры кристалла кремния и образованию различных комплексов. Выявлено, что комплексные дефекты Ni-H образуются в процессе изготовления контактов Шоттки, что в большинстве случаев неизбежно. Кроме того, было выяснено, что уровни эВ и эВ комплекса NiH2 относятся к одному и тому же дефектному уровню.

Скачать электронную версию публикации