56 ФОРМИРОВАНИЕ ДОНОРОВ В ТВЕРДЫх РАСТВОРАх Ge1

Вестник БГУ. Сер. 1. 2014. № 2
Спектры обрабатывались в программе MathCad. После вычитания фона проводилась аппроксимация четырех экспериментальных фотопиков нормальными распределениями, что давало значения
площадей этих пиков, т. е. N(0) и N(x), для каждой из энергий E1 и E2.
В качестве эталона, с которым сравнивались парциальные сечения исследуемого сплава, была выбрана чистая медь. В табл. 2 приводятся экспериментальные полные сечения и взятые из [5] теоретически рассчитанные парциальные сечения для эталона. С их помощью можно найти константы сi,
необходимые для расчета Z по (13). Условие Eγ >>Ik в данном случае достаточно хорошо выполняется:
Ik(Sn) = 35 кэВ.
Таблица 2
Экспериментальные сечения Σ(Z) для исследуемого сплава и априорные парциальные сечения для меди
Eγ, МэВ
Σ(Z), см–1 , сплав
σк(Cu), б, эталон
σф(Cu), б, эталон
0,511
0,662
0,627
0,534
8,26
7,10
0,256
0,134
В результате в обсуждаемом эксперименте для исследуемого сплава олова были получены следующие
Z 42,0, =
n 5,0 ⋅ 1022см–3,
значения средних заряда, атомной концентрации и электронной плотности: =
–3
=
ne 2,0 ⋅ 1024 см . Статистические ошибки в определении Z, n и ne находились путем варьирования величин N в пределах N ± 2 N , что в данном эксперименте привело к следующим результатам:
dz ≈ 0,12, dn ≈ 0,17, dne ≈ 0, 21. Эти ошибки можно существенно уменьшить, если использовать источники с большей активностью или увеличить время измерения.
Можно также отметить, что измерение среднего атомного заряда двухкомпонентного вещества поглотителя дает возможность рассчитать процентное содержание каждого компонента. В данном случае
получается, что используемый в эксперименте сплав содержит около 60 % олова и 40 % меди.
Результаты работы свидетельствуют о возможности применять данный метод в прикладной ядерной
физике и в учебном ядерном практикуме.
Автор выражает благодарность коллегам за обсуждение статьи и помощь в работе.
Б И Б Л И О Г РА Ф И Ч Е С К И Й С П И С О К
1. З а й ц е в а А . М . Разделение полных сечений взаимодействия гамма-квантов с веществом на парциальные // Вестн.
БГУ. Сер. 1, Физика. Математика. Информатика. 2013. № 3. С. 60–63.
2. Ш и р о к о в Ю . М . , Ю д и н Н . П . Ядерная физика. М., 1980. C. 447, 452.
3. М у х и н К . Н . Экспериментальная ядерная физика : в 3 т. СПб. ; М., 2009. Т. 1.
4. Б л о х и н ц е в Д . И . Основы квантовой механики. М., 1961. С. 317–323.
5. H u b b e l l J . H . Photon Mass Attenuation and Energy Absorption Coefficients from 1 keV to 20 MeV // Int. J. Appl. Radiat.
Isotopes. 1982. Vol. 33. P. 1269–1290.
Поступила в редакцию 13.03.2014.
Анна Максимовна Зайцева – кандидат физико-математических наук, доцент кафедры ядерной физики.
УДК 537.311.322
Ю. М. Покотило, А. Н. Петух, В. В. Литвинов, А. В. Гиро,
В. П. Маркевич, А. С. Камышан
формирование доноров в твердых растворах Ge1–xSiх,
имплантированных протонами
Исследовался процесс формирования низкоомного слоя в приповерхностной области кристаллов Ge1–хSiх, легированных
фосфором, при имплантации протонами и последующей термообработке. Образцы имплантировались протонами с энергией
300 кэВ потоком 1 · 1015 см–2. Для сравнения использовалось облучение образцов электронами с энергией 6 МэВ. Показано,
что термообработка (≅ 275 C ) имплантированных кристаллов за счет образования H-доноров приводит к формированию резко выраженного низкоомного концентрационного пика с максимумом вблизи проецированной длины пробега ионов 3 мкм и
величиной среднеквадратичного разброса пробегов ~ 0,2 мкм. Установлено, что концентрация Н-доноров в максимуме профиля распределения (за вычетом исходного содержания фосфора) уменьшается от 1,5 · 1016 см–3 для содержания кремния
0,08 ат. % до 5 · 1015 см–3 при увеличении содержания до 3,1 ат. %. В то же время при увеличении в кристаллах Ge1–хSiх содержания кремния резко падает концентрация постимплантационных радиационных дефектов. Показано, что снижение концентрации Н-доноров обусловлено захватом внедренного водорода атомами кремния, а не пассивацией радиационных дефектов.
Ключевые слова: кремний; германий; водород; H-доноры; ионная имплантация; твердый раствор; радиационные дефекты.
The formation of low-resistance near-surface layer in Ge1–xSix crystals doped with phosphorus after proton implantation and subsequent heat treatment were studied. The samples were implanted with protons of 300 keV by thread 1 · 1015 cm–2. For comparison, we
also studied samples irradiated with electrons with energy of 6 MeV.
56
Физика
It was shown that the heat treatment (≅ 275 C ) of the implanted crystals through the formation of H-donors leads to the formation
of a pronounced low-impedance concentration peak with a maximum near the projected path length of ions 3 microns and halfwidth of
0,2 microns, corresponding to the projected ion scattering. It was found that the concentration of H-donor at the peak of the distribution
profile decreased from 1,5 · 1016 cm–3 for x = 0,08 % to 5 · 1015 cm–3 with increasing x = 3,1 %. At the same time with silicon concentration in the crystals Ge1–xSix increasing postimplantation radiation defects concentration decrease sharply. It was shown that reducing
the concentration of H-donors due to the trapping of interstitial hydrogen atoms of silicon, instead of passivation of radiation defects.
Key words: silicon; germanium; hydrogen; H-donors; ion implantation; solid solution; radiation-induced defects.
Водород является одной из важнейших неконтролируемых примесей в кристаллах полупроводников,
а также широко используется в технологии производства приборов [1]. Например, имплантация протонов
позволяет получать тонкие пленки полупроводников с помощью Smartcut-процесса или при более низких
дозах формировать после термообработки низкоомные слои за счет образования водородосодержащих
доноров (Н-доноров) [2–4]. Большинство работ посвящено исследованию свойств водорода в кремнии.
Однако возможность получения тонких пленок полупроводников и относительная легкость встраивания
Smartcut-процесса в кремниевую технологию свидетельствуют о возможности замены кремния другим
полупроводниковым материалом, обладающим более высокой подвижностью носителей заряда. Оказалось, что наиболее подходящим для этих целей материалом является германий [5], поскольку он обладает
более высокой подвижностью электронов (3900 см2/В · с), нежели кремний (1350 см2/В · с), и, что особенно важно, характеризуется наибольшим значением подвижности дырок (1900 см2/В · с соответственно)
из всех известных к настоящему времени полупроводниковых материалов (например, в Si и GaAs подвижность дырок составляет всего 450 и 400 см2/В · с соответственно). Кроме того, германий образует
непрерывный ряд твердых растворов с кремнием, и при создании КМОП-транзисторов на основе Ge в
значительной степени может быть использована кремниевая технология.
Ранее [6, 7] было установлено, что в Ge и твердых растворах с кремнием, имплантированным протонами, при последующей термообработке в диапазоне 225–300 oС в конце пробега также формируются мелкие Н-доноры в концентрации 1,5 · 1016 см–3 при дозе 1 · 1015 см–2. В настоящей работе исследуется влияние сопутствующих имплантации радиационных дефектов на формирование и свойства
Н-доноров.
Методика эксперимента
Исследования были проведены на образцах твердых растворов Ge1–хSiх (0 ≤ x ≤ 0,031), выращенных
модифицированным методом Чохральского с низким (< 1015 см–3) содержанием кислорода. Кристаллы
были легированы фосфором в пределах от 1015 до 3 · 1015 см–3. Для измерений были изготовлены диоды
Шоттки путем напыления золота через маску на полированную поверхность кристаллов. Толщина слоя
золота составляла 200 нм. Образцы были имплантированы протонами (Н+) с энергией 300 кэВ через
слой золота при комнатной температуре потоком 1 · 1015 см–2 . Проецированная длина пробега Н+ ионов
с энергией 300 кэВ в германии составляет около 3 мкм. Для сравнения проводилось также облучение
образцов электронами с энергией 6 МэВ.
Профили концентрации Н-доноров измерялись методом вольт-фарадных (C–V) характеристик. Характеристики электронных уровней радиационных дефектов определялись методом нестационарной
емкостной спектроскопии глубоких уровней (DLTS) [8].
Результаты эксперимента и их обсуждение
Профили распределения концентрации электронов в кристаллах Ge1–хSiх с различным содержанием кремния, имплантированных протонами, на различных этапах последующей термообработки представлены на рис. 1. Из рисунка видно, что после имплантации и на начальных этапах термообработки
концентрация электронов в приповерхностной (4–5 мкм) области образцов становится ниже исходной.
Это свидетельствует о введении при имплантации компенсирующих радиационных дефектов, максимум концентрации которых совпадает с проецированной длиной пробега протонов. Дальнейшее увеличение температуры приводит к формированию резко выраженного низкоомного концентрационного
пика с максимумом вблизи проецированной длины пробега ионов 3 мкм и величиной среднеквадратичного разброса пробегов ~ 0,2 мкм. На этом основании в [6, 7] сделано заключение, что концентрационный пик обусловлен формированием водородосодержащих доноров. Обращает на себя внимание
зависимость концентрации Н-доноров от содержания кремния (рис. 1). Действительно, концентрация
Н-доноров в максимуме профиля распределения (за вычетом исходного содержания фосфора) уменьшается (рис. 2) от 1,5 · 1016 см–3 для содержания кремния 0,08 ат. % до 5 · 1015 см–3 при увеличении
содержания до 3,1 ат. %.
Спектры DLTS электронных ловушек в кристаллах Ge1–хSiх с различным содержанием кремния,
имплантированных протонами и облученных высокоэнергетическими электронами, представлены на
57
Вестник БГУ. Сер. 1. 2014. № 2
а
б
в
Рис. 1. Профили распределения концентрации электронов в кристаллах Ge1–хSiх для различного содержания Si, ат. %: а – 3,1;
б – 1,2; в – 0,08. Профили были измерены при следующих условиях:
1 – исходный; 2 – имплантация Н+ с энергией 300 кэВ потоком 1 · 1015 см–2 при комнатной температуре; 3–5 – 20 мин
изохронный отжиг при 200, 250 и 275 oС соответственно после имплантации
рис. 3. Видно, что в спектрах доминируют три ловушки: Е1, Е2 и Е3. Для определения параметров ловушек были измерены спектры DLTS при изменении длительности окна регистрации, что приводит к
смещению максимумов пиков по температуре. Это позволяет, в соответствии с [8], найти температурную зависимость времени релаксации t и методом Аррениуса определить энергию активации эмиссии
DЕ и сечение захвата σn электронов для каждой ловушки. Найденные значения параметров приведены
в таблице. Из анализа полученных данных следует, что доминирующая при электронном облучении ловушка Е1 является известным компенсирующим радиационным дефектом – Е-центром (комплекс «фосфор – вакансия») [9]. Параметры пика Е2, как видно из таблицы, существенно отличаются от таковых
для Е-центра. Кроме того, они зависят от содержания кремния. Действительно, температура максимума
пика Е2 при одинаковой длительности окна регистрации (см. рис. 3) сдвигается от 231 до 215 К при
увеличении содержания Si в исследуемом диапазоне. Ранее [10] такой эффект наблюдался в облученных кристаллах SiGe в зависимости от содержания германия и связывался с влиянием полей упругих
напряжений, вызванных присутствием германия в решетке кремния, на энергию активации Е-центра.
Из анализа спектров DLTS (рис. 3) также видно, что при увеличении в кристаллах Ge1–хSiх содержания
кремния резко (на два порядка) падает концентрация радиационных дефектов.
58
Физика
14,0
10,0
1515
Концентрация,
см
Концентрация,
1010 см
–3
12,0
8,0
6,0
4,0
2,0
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Содержание кремния, ат. %
Содержание
кремния, ат. %
Рис. 2. Зависимости концентрации Н-доноров в максимуме пика их распределения в кристаллах Ge1–хSiх от содержания
кремния (доза имплантации потоком 1 · 1015 см–2; последующая термообработка 20 мин при 275 oС)
Рис. 3. Спектры DLTS для имплантированных протонами кристаллов Ge1–хSiх с различным содержанием Si, ат. %: 1 – 0,08;
2 – 1,2; 3 – 3,1 (для спектра 3 масштаб увеличен в 5 раз). Для сравнения приведен спектр DLTS образца Ge1–хSiх (1,2 ат. %),
облученного 6 МэВ электронами потоком 1 · 1015 см–2 (4). Режим измерения спектров:
длительность окна регистрации 1 · 10–3 с, импульса заполнения 1 · 10–3 с и напряжение на базе диодов переключалось
от 0 до –4 В, что позволяло сканировать приповерхностную область в диапазоне (1–4,5) мкм
Электронные параметры ловушек наблюдаемых радиационных дефектов
Ловушка
E1
E2
E3
ΔE, эВ
0,30
0,36
0,21
sn, см2
–15
2,7 · 10
4,8 · 10–16
3,0 · 10–15
Идентификация
Е-центр
Водородосодержащий центр
–
На основе вышеизложенного получаем, что эффективность образования Н-доноров в кристаллах
Ge1–хSiх уменьшается с увеличением содержания кремния и возрастает при уменьшении концентрации
постимплантационных радиационных дефектов. Возможной причиной этого является то, что либо ра59
Вестник БГУ. Сер. 1. 2014. № 2
диационные дефекты, либо атомы кремния служат дополнительными стоками для внедренного водорода и препятствуют тем самым формированию Н-доноров. Однако в первом случае (если с учетом
данных [10] считать, что ловушка Е2 является также Е-центром, включающим в свой состав водород)
максимальная концентрация ловушек не может превышать содержания фосфора (~ 1015 см–3). В то же
время объемную концентрацию внедренного водорода в слое, соответствующем среднеквадратичному
разбросу пробегов ионов водорода (~ 0,2 мкм), можно оценить как 5 · 1018 см–3. Следовательно, расход
водорода на пассивацию Е-центра незначителен. Поэтому более вероятным дополнительным стоком
для внедренного водорода являются атомы кремния, содержание которого значительно выше.
Таким образом, термообработка кристаллов Ge1–хSiх, имплантированных протонами с энергией 300
кэВ, приводит к образованию низкоомного n+-слоя водородосодержащих доноров толщиной ~ 0,2 мкм,
локализованного вблизи проецированной длины пробега ионов 3 мкм. Наблюдаемое снижение концентрации Н-доноров с увеличением примеси кремния в кристаллах Ge1–хSiх связано не с расходом
внедренного водорода на пассивацию постимплантационных радиационных дефектов, а в основном с
их захватом атомами кремния.
Б И Б Л И О Г РА Ф И Ч Е С К И Й С П И С О К
1. Ко з л о в с к и й В . В . Модифицирование полупроводников пучками протонов. СПб., 2003.
2. М у к а ш е в Б . Н . , Аб д ул л и н Х . А . , Го р е л к и н с к и й Ю . В . Метастабильные и бистабильные дефекты в кремнии // УФН. 2000. Т. 170, № 2. С. 143.
3. П о ко т и л о Ю . М . , П е т у х А . Н . , Л и т в и н о в В . В . , Ц в ы р ко В . Г. Формирование водородсодержащих доноров
в эпитаксиальном кремнии, имплантированном протонами // Неорганические материалы. 2009. Т. 45, № 11. С. 1286.
4. П о ко т и л о Ю . М . , П е т у х А . Н . , Л и т в и н о в В . В . , Ц в ы р ко В . Г. Водородсодержащие доноры в кремнии –
центры с отрицательной эффективной корреляционной энергией // ФТП. 2005. Т. 39, № 7. С. 802.
5. L e e M . L . , F i t z g e r a l d E . A . , B u l s a r a M . T. , C u r r i e M . T. , L o c h t e f e l d A . Strained Si, SiGe, and Ge channels
for high-mobility metal-oxide-semiconductor field-effect transistors // J. Appl. Phys. 2005. Vol. 97. P. 011101.
6. P o k o t i l o J u . M . , P e t u k h A . N . , L i t v i n o v V. V. , M a r k e v i c h V. P. , A b r o s i m o v N . V. , P e a k e r A . R . Formation of Hydrogen-Related Shallow Donors in Ge1–xSix Crystals Implanted with Protons // Solid State Phenomena. 2008. Vol. 131–
133. P. 131–135.
7. M a r k e v i c h V. P. , D o b a c z e w s k i L . , B o n d e N i e l s e n K . , L i t v i n o v V. V. , P e t u k h A . N . , P o k o t i l o J u . M . ,
A b r o s i m o v N . V. , P e a k e r A . R . Electrically active hydrogen-implantation-induced defects in Ge crystals and SiGe alloys //
Thin Solid Films. 2008. Vol. 517. P. 419.
8. L a n g D . V. Deep-level transient spectroscopy: a new method to characterize traps in semiconductors // J. Appl. Phys. 1974.
Vol. 45. P. 3023.
9. P e a k e r A . R . , M a r k e v i c h V. P. , A u r e t F. D . , D o b a c z e w s k i L . , A b r o s i m o v N . V. The vacancy–donor pair in
unstrained silicon, germanium and SiGe alloys // J. Phys.: Condens. Matter. 2005. Vol. 17. P. S2293.
10. M o n a k h o v E . V. , K u z n e t s o v A . Yu . , S v e n s s o n B . G . Vacancy-related deep levels in n-type Si1–xGex strained layers // Phys. Rev. B. 2001. Vol. 63. P. 245322.
Поступила в редакцию 28.03.2014.
Юрий Мефодьевич Покотило – кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физической информатики
и атомно-молекулярной физики.
Алла Николаевна Петух – кандидат физико-математических наук, заведующая учебной лабораторией кафедры физической информатики и атомно-молекулярной физики.
Валентин Вадимович Литвинов – кандидат физико-математических наук, доцент, ведущий научный сотрудник НИЛ
спектроскопии полупроводников.
Алексей Владимирович Гиро – ассистент кафедры физической информатики и атомно-молекулярной физики.
Владимир Павлович Маркевич – кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ГНПО «Научнопрактический центр НАН Беларуси по материаловедению».
Александр Степанович Камышан – кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник НИИ прикладных физических проблем им. А. Н. Севченко БГУ.
60