Oxygen in Silicon Single Crystals

0 10 20 30 W 50 60 70


ю³/т, к


3/т is-1


поставления с теоретическими расчетами, что при отжигах, приводя­щих к образованию ТД-II, образуются также и термоакцепторы (Та).
В [117] с помощью двух независимых методик (эффекта Холла и ЭПР) подтвержден факт образования ТА в результате отжигов, приво­дящих к образованию ТД-II. Опыты проведены на образцах, приготов­ленных из бездислокационного монокристалла n-Si(P) с содержанием легирующей примеси фосфора и сопутствующих примесей кислорода и углерода в концентрациях: верх слитка (K-7_B) - N_p = 2 -10¹⁴; [О/] = = 8 -10¹⁷ и [C_s] = 1.4 10¹⁷ см^-3; низ слитка (К-7_Н) - N_p = 5 • 10¹⁴; [OJ = = 6 • 10¹⁷ и [C_s] = 7.3 • 10¹⁷ см^-3.
ТД-II создавались в образцах из обеих частей слитка отжигами раз­личной длительности (до 100 ч) при 650°С.
На рис. 89 и 90 представлены температурные зависимости концент­рации носителей тока, полученные из измерений эффекта Холла для двух серий образцов, подвергнутых термообработкам различной дли­тельности при 650°С с целью создания в них ТД-II (рис. 89 для образ­цов из К-7_в; рис. 90 - для образцов из К-7_Н). Сравнение рис. 89 и 90 показывает различное поведение зависимостей п_е(Т^-1) для образцов, приготовленных из различных частей слитка.
С увеличением продолжительности отжига образцов из слитка К-7в энергия термической ионизации ТД-II, определенная из наклона зави­симостей n_e(T^-1), сначала уменьшается (по сравнению с энергией иони­зации фосфора Е_р) при малых длительностях отжига (кривые 2-4) до значений Е $14 мэВ, а далее возрастает и становится сравнимой с E_p (кривые 5-7). Вид этих кривых в области 50 & Т & 300 К указывает на существование ТД-II и с Е > Е_р. Подобное поведение зависимостей n_e = (Т^-1) для образцов с ТД-II с увеличением продолжительности отжига при 650°С наблюдалось и в работе [104] в кислородсодержащем крем­нии с малым содержанием примеси углерода ([C_s] & 3 • 10¹⁶ см^-3).
Изменения наклонов в зависимостях n_e = (T^-1) (рис. 89) нельзя пол­ностью объяснить, связав их только с непрерывным процессом преоб-


196







разования ТД-II при увеличении продолжительности отжига, как пред­полагалось в [104]. При этом надо было бы допустить, что с увеличе­нием длительности отжига образцов мелкие ТД-II либо разрушаются, либо преобразуются в глубокие ТД-II. Детальные опыты по ЭПР и фо­то-Холлу с подсветкой межзонным светом на этих образцах показали, что при наличии глубоких ТД-II, проявляющихся в эффекте Холла и без освещения образца (рис. 89, кривые 6, 7), частично сохраняются и мел­кие ТД-II, но находятся они в условиях опытов без подсветки в иони­зированном состоянии (ТД-И)⁺.
Поэтому, для описания "веера" зависимостей п_е(Т^-1) рис. 89 в [117] предположили, как и в [265], что при отжигах кислородсодержащего п- Э1(Р) наряду с процессами образования (и преобразования [104]) ТД-II происходят процессы, приводящие к образованию центров акцеп­торного типа. Но при этом необходимо было предположить также, как в [256], либо подтвердить экспериментально, что ТД-II в исследованных образцах представляют набор (спектр) донорных состояний в запре­щенной зоне Si.
Используя Y-облучение различными дозами образца, прошедшего отжиг при 650°C в течение 100 ч (рис. 77, кривая 2), в совокупности с измерениями температурных зависимостей концентрации носителей в образцах n_e(T^-1) методом эффекта Холла и изучением спектров ЭПР, в [117, 188] подтверждено что, действительно, в образце из слитка К-7_Н в результате отжига при 650°С образуется квазинепрерывный набор центров ТД-II, характеризующийся спектром уровней в запрещенной зоне Si как по энергиям термической ионизации, так и по g-факторам. И кроме того, в такой постановке опытов удалось промоделировать си­туацию с ростом наклонов кривых п_е(Т^-1) (рис. 77) в области низких температур в зависимости от увеличения концентрации акцепторов в образцах с ТД-II, подобную той, которая наблюдалась и на рис. 89.
Проследим, как в случае, представленном на рис. 89, изменения наклонов кривых (особенно в сторону их роста) при низких Т можно описать влиянием вклада акцепторов, образующихся попутно с ТД-II


1 97







О 20 40 60 80 -ь,ч


Рис. 91. Зависимости концентрации ак-
цепторных центров в образцах от про-
должительности отжигов при 650°С: 1 -
для образцов из слитка К-7_в; 2 - К-7_Н
[117]


при термообработках кристаллов, т. е. ТА.
Концентрацию ТА для всех исследованных образцов, представлен­ных на рис. 89 и 90, определили путем сравнения экспериментальных температурных зависимостей холловской подвижности электронов ц_х с рассчитанными по теории анизотропного рассеяния [201] с учетом рас­сеяния на четырех междолинных фононах [295], т. е. используя мето­дику расчета, близкую к предложенной в [296] (в теоретических расче­тах учитывалось рассеяние на акустических и междолинных фононах, ионизированных и нейтральных примесях), в рамках которой наблюда­ется хорошее согласие расчетных и экспериментальных данных. Кон­центрации акцепторных центров, приводящие к наилучшему согласова­нию экспериментальных и теоретических зависимостей ц_х(Т) приве­дены (точки) на рис. 91. Концентрация акцепторов в исходных образцах из слитков К-7_в и К-7_Н составила (6-8) • 10¹³ и (1.2-1.5) • 10¹⁴ см^-3 со­ответственно. Если в образцах из К-7_в наблюдается рост концентрации ТА с увеличением продолжительности отжига при 650°С (рис. 91, кри­вая 1), то в образцах из К-7_Н ТА во время таких термообработок прак­тически не образуются (рис. 91, кривая 2), в то время как концентрация ТД-II в них после отжига максимальной длительности (t = 100 ч) одного порядка с концентрацией ТД-II в образцах из К-7_в $ (2­3) • 10¹⁵ cm^-3)].
Естественно, необходимо было убедиться с помощью независимого метода в том, что термообработки содержащего кислород n-Si(P) при 650°С действительно приводят к образованию ТА, сопутствующих ТД-II. Для этой цели в [117] использован ЭПР-метод определения ком­пенсации образцов, предложенный в [297], который основан на срав­нении сигналов ЭПР, полученных от донорных центров в темноте и при освещении межзонным светом. Результаты по изучению спектров эПр исходных и термообработанных образцов подтвердили (в пределах точности этого метода) данные по концентрациям ТА, полученные опи­санным выше способом.
Чем же определяются различия в образовании ТА в верхней и ниж­ней частях слитка К-7, различным содержанием в образцах из слитков К-7_в и К-7_Н примеси углерода (в К-7_Н ее в 5 раз больше, чем в К-7_в) или


198




различной термообработкой верхней и нижней частей слитка во время выращивания? Ответ на этот вопрос дали эксперименты (подобные описанным выше), проведенные на образцах из другого слитка К-5, содержащего в верхней части К-5_в значительно большую концентрацию углерода ([C_s] = 4.7 • 10¹⁷ см^-3), чем в К-7_в . В К-5_Н - [C_s] = 8 • 10¹⁷ см^-3, иные параметры близки к параметрам слитка К-7. При наличии высо­кой концентрации C_s в образцах из К-5_в ТА, как и в образцах из К-5_Н и К-7_Н не образуются вплоть до 100 ч отжига при 650°С. Поэтому в [117] пришли к выводу, что различия в образовании ТА в верхней и нижней частях слитка определяются в основном содержанием примеси углеро­да в них. Углерод же в больших концентрациях в кристаллах кремния, выращенных по методу Чохральского, при таких термообработках, как известно [58], препятствует образованию преципитатов в виде полос, являющихся источниками дислокационных диполей. Последние, как полагают авторы [117], и способствуют образованию ТА, сопутствую­щих ТД-II.
Если дислокационные диполи ответственны за ТА, то их разруше­ние (а это происходит при отжигах в области Т # 850°С [58, 197]) долж­но приводить к уменьшению концентрации ТА и к изменению вида зависимостей п_е(Т^-1), а также спектров ЭПР. Действительно, это имеет место. Кривая 7, рис. 89 после отжига образца в течение 0.5 ч при 900°С трансформируется в кривую 7' того же рисунка. Концентрация акцепторных центров в образце уменьшалась от 3.2 • 10¹⁴ до

1. 
   2 • 10¹⁴ см^-3. При этом в зависимости n_e = (Т^-1) (кривая 1) и соответ­ственно, в ЭПР наблюдаются ТД-II с Ej $ 30 мэВ < Е_р, тогда как до от­жига при 900°С ТД-II с Ej < E_p наблюдали лишь в ЭПР при освещении образца межзонным светом. Появление ТА, связанных с дислокацион­ными диполями, коррелирует с образованием и свойствами так назы­ваемых Si -2К центров, обнаруженных в [273, 274] и являющихся глу­бокими электронными ловушками с E_c - 0.05-0.06 эВ [118].
   

Авторы [117] не исключают, что такие ТА могут выступать в роли рекомбинационно-эффективных термоцентров (РЭТ), так как увеличе­ние содержания углерода в таких кристаллах, приводящее к подав­лению процессов образования ТА, приводит, как показано в [298, 299] и к уменьшению концентрации РЭТ и связанному с ним увеличению времени жизни неосновных носителей тока т (по сравнению с кристал­лами с небольшим содержанием [C_s]) в термообработанных при 650°С образцах. Для установления достоверности такого предположения не­обходимы дальнейшие эксперименты по изучению энергетики как ТА центров, так и РЭТ на одних и тех же образцах при идентичных термо­обработках.
Сравнение исходной концентрации акцепторов в образцах из слит­ка К-7_в и концентрации акцепторов в них после отжига при 900°С пока­зывает, что не все ТА, образовавшиеся наряду с ТД-II (в результате от­жигов при 650°С), разрушаются термообработкой при 900°С (0.5 ч). Это указывает на существование некоторой части устойчивых к такому от­жигу ТА.


199

t, ч	Eta , мэВ	ор* , см^2
4	440 ± 20	^-0 2
8	430 ± 10	1 • 10^-14
16	520 ± 1 0	3 ^-0 4
32	51 0 ± 20	^5 ^0­ ^3
64	490 ± 1 0	^5 ^0­ ^3
120	51 0 ± 5	1 • 10-^12
240	540 ± 1 5	2 ^-0 9

Примечание. с_р* - эффективная величина сечения захвата.


200




Напомним, что при длительных отжигах кислородсодержащих крис­таллов кремния в интервале температур 600-900°С активно происходят процессы преципитации кислорода и образуется ряд вторичных дефек­тов, связанных с формированием кислородных преципитатов. При этом в ПЭМ (просвечивающая электронная микроскопия) [197, 303] наблю­даются стержне- или пластинчатоподобные дефекты, дислокационные петли, дефекты упаковки и др. Поэтому, интересно было попытаться провести количественные сопоставления концентраций глубоких ак­цепторных центров и различных дефектов, образующихся при тех же термообработках.