Диссертация (Взаимодействие водорода с дислокационными сетками сращенных пластин кремния), страница 5

В процессе плазменнойобработки водород поникает на глубину до 50 мкм и нейтрализует до 99% электрическиактивных центров. Температура образца при проведении плазменной обработки обычнонаходится в пределах 100-400°C, то есть кристалл не подвергается значительнымтемпературным воздействиям, однако и такие температуры в некоторых случаях могут бытьнеприемлемыми. Основным минусом данной техники является то, что на поверхности23кристаллапротекаетрядпроцессов,которыесопровождаютсяактивнымдефектообразованием [62; 64], в связи с чем образцы, выдержанные в H плазме, требуютдополнительной обработки для удаления или восстановление нарушенного слоя.Водород может быть введён в кристалл в процессе отжига в водородосодержащейатмосфере (ВСА) [65; 66] или при использовании ВСА непосредственно во время роста [67],однако такого рода обработка требует высоких температур (от 900°C и выше).

Методпригоден для внедрения не только водорода, но и его изотопов, как в атомарном, так имолекулярном видах [52].Достаточно распространённым методом является жидко-химическое травление (ЖХТ)[68]. К плюсам ЖХТ можно отнести простоту и доступность метода, а также низкуютемпературу процесса проведения гидрогенизации (не превышает 100°C), к минусам – малуюглубину проникновения H, соответственно малую эффективность взаимодействия сдефектами в объёме кристалла. В качестве травителей в различных работах различнымигруппами использовался обширный спектр смесей и растворов кислот от деионизованнойводы [69] до сложных травителей [70; 71; 72; 73].Ионная имплантация также используется для введения в кристаллическую решёткукак водорода [74], так и его изотопов [75; 76].

Отличительными чертами данной техникиявляется возможность прецизионно контролировать и глубину, и концентрацию вводимыхионов, при этом концентрация водорода здесь не ограничивается его растворимостью.Дополнительныйотжиг,необходимыйдляустранениярадиационныхдефектовсопутствующих имплантации, приводит не только к изменению профиля за счёт диффузии,но и к образованию микротрещин, плоских водородных образований (platelets) и полостей[41]. Создание большой плотности микрополостей в узкой хорошо определённойприповерхностной области лежит в основе технологии SmartCut® [77], активно применяемойв современной микроэлектронике для создания SOI структур.Альтернативным методом гидрогенизации является диффузия водорода из буферногослоя [78]. В качестве такого буферного слоя предлагается палладиевый (Pd) контакт,предварительно выдержанный в ВСА.

Имеющий огромный коэффициент растворимости дляводорода палладий, после экспозиции в ВСА, сам становится источника водорода.Преимуществом данной техники является отсутствие дефектного слоя вызванногогидрогенизацией, а также возможность проведения диффузии при любых температурах.242.3 Детектирование водородаТехники детектирования водорода условно можно разделить на два класса: прямоедетектирование и косвенное.

К прямому детектированию относится масс-спектрометриявторичных ионов (ВИМС), анализ ядерных реакций (НРА), анализ методом детектированияупругой отдачи ядер (АМДАО), экзо-диффузия. К прямым методам принято относить и рядметодов определяющих концентрацию и распределение различных водородосодержащихкомплексов.Это,преждевсего,поглощениеинфракрасногоизлучения(ИК),рамановское/комбинационное рассеяние (КР), ядерный магнитный резонанс (ЯМР),спектроскопия электронных потерь (СХПЭЭ), нестационарная спектроскопия глубокихуровней (НСГУ/DLTS).К косвенным методам принято относить техники, которые выявляют нейтрализациюмелкой легирующей примеси и глубоких дефектных уровней в ЗЗ в результате введения вкристалл водорода. В случае мелкой легирующей примеси наиболее распространённымиявляются измерения вольт-фарадных характеристик (ВФХ), распределённого сопротивления(РС) и постоянной Холла.

Для ГУ с успехом применяют различные вариации нестационарнойёмкостной спектроскопии (DLTS, MCTS и прочее), электронный парамагнитный резонанс(ЭПР), катодолюминесценцию (КЛ), измерение фототока и другие.Наиболее широкое распространение из техник прямого наблюдения получила ВИМС[52], которая позволяет получать профиль распределение водорода и его изотопов сразрешением по глубине порядка 1 нанометра.

Чувствительность по водороду составляет5·1016-1018 см-3, для дейтерия (D) 2·1015-1016 см-3. К недостаткам метода можно отнести то,что он является разрушающим, область анализа ограничена несколькими микронами поглубине, также метод не различает состояние, в котором водород находился в кристалле(атом, молекула или водород содержащих комплексов (ВСК)).НРА [79; 80; 81] метод часто противопоставляется ВИМС, при этом он не являетсяразрушающим.

Наиболее распространённой для детектирования водорода является реакция,происходящаяприоблучениикристаллаизотопомазота15N+1H→12C+α(42He)+γ.Разрешающая способность метода по глубине составляет 5-10 нм, что несколько уступаетВИМС, чувствительность в пределах 1017-1019 см-3. АМДАО анализ, по сути, являетсяразвитием метода НРА, с одним лишь различием – образец подвергается облучениютяжёлыми частицами.25Экзо-диффузия [50; 62; 82] является макроскопическим методом анализа содержанияводорода в кристалле.

Измерение температурной зависимости экстракции водорода изобъёма даёт информацию об его энергиях связи с дефектами в объёме кристалла, а также ополном количестве водорода, содержащегося в исходном кристалле.ИК спектроскопия предоставляет информацию о колебательных модах, что активноиспользуется для наблюдения и определение конфигурации «связанного» водорода наповерхности [45; 46], границах зёрен [50] и в объёме кристалла [63; 67; 83; 84; 85]. Сравнениеспектров до и после гидрогенизации, а также мониторинг в процессе изохорных отжиговпозволяютоценитьконцентрацию«связанного» водородаиотследитьизменениеконфигурации дефектов.

ЯМР [50; 62] и КР [64; 86] являются не столь распространёнными,однако предоставляет аналогичную информацию, что и ИК. Техника СХПЭЭ [47], в своюочередь,демонстрируетвысокуючувствительностькводородунаходящемусянаповерхности твёрдого тела.Построение профилей, основанное на измерения спектров DLTS [55; 74; 76; 87],позволяет наблюдать как центры индуцированные введением водорода, так и уменьшениеэлектрически активных центров в результате водородной пассивации. Чувствительность ипространственное разрешение метода сильно зависит от степени легирования кристалла иможет достигать значений 1010 см-3 и < 0,1мкм соответственно.

Недостатком техникиявляется то, что исследуется только та часть области пространственного заряда (ОПЗ),которая попадает в переходную область, определяемую точкой пересечения уровня Ферми суровнем дефекта (λ-точка), как результат приповерхностная область практически неподдаётся изучению.Измерения ВФХ [57; 58; 59], РС [58; 63] и постоянной Холла дают информацию онекомпенсированной легирующейпримеси, объёмном сопротивлении исвободныхносителях заряда, изменение, которых в результате гидрогенизации позволяет оценитьконцентрацию водорода, участвующего в процессе пассивации.

Ограничения ВФХпрофилирования по природе аналогичны ограничениям в DLTS-профилировании, посколькуобласть исследования определяется краем ОПЗ, положение которого определяетсяпараметрами диода. Чувствительность и пространственное разрешение метода также вбольшей степени определяется степенью легирования кристалла.26Комбинируя DLTS-, ВФХ-профилирование с травлением можно построить профильнекомпенсированной легирующей примеси и соответственно водорода, связанного на нейпрактически на всю глубину кристалла.Нейтрализацию электрически активных центров, можно обнаружить методамиEBIC/LBIC [53], посредством измерения люминесценции [49; 64] и фототока. Однако этитехники предоставляют только качественную информацию.Из вышесказанного можно заключить, что не существует техник одинаково хорошоподходящих для всех исследуемых объектов и задач.

Поэтому при возможности необходимоприменять комплексный подход к изучению, а в выборе техники исходить из особенностейобразца и его предыстории, в том числе и способа гидрогенизации.2.4 Водород в кристаллической решётке кремнияВ идеальной кристаллической решётке кремния водород занимает межузельноеположение и благодаря своей реакционной активности он способен образовывать стабильныеконфигурации c дефектами, как в объёме, так и на поверхности полупроводника.

Атомарныйводород может находиться в кристалле в различных зарядовых состояниях, также водородможет присутствовать в кристалле в молекулярном виде, в виде пластинчатых образований ископлений газообразного H2 в микрополостях и микротрещинах.Благодаря большому объёму накопленных экспериментальных и теоретическихданных к настоящему моменту сложилось устойчивое представление о большинствеосновных водородосодержащих комплексах, их конфигурации и особенностях.Основным инструментом для определения конфигурации ВСК является ИК-спектроскопияпоглощения и КР, которая позволяет определить состав комплекса, его симметрию, изучитьтемпературную стабильность и эволюцию под влиянием внешних воздействий.

Основнымпараметром ИК-спектроскопии является положение линии поглощения, отвечающейколебательныммодамизучаемогокомплекса.Аргументомпридоказательствепринадлежности той или иной экспериментальной линии к ВСК служит величина изотопногосдвига(Рис.4)Hдейтеризации:приDсравненииHDкристаллов,подверженныхгидрогенизациии/или1, 4 , где  H / D приведённая масса атомов участвующих в 1 1колебании ( 1 ).mH / DmSiH /D27Рис.4 Спектр ИК поглощения [88], облучённого кремния, обработанного H, D и H-D плазмой.Спектры демонстрируют изотропное смещение линий поглощения для различных Si-H связей.Немаловажную роль в процессе идентификации линии ИК поглощения играют итеоретические расчёты. Благодаря мощностям современной вычислительной техники, онипозволяют не только проверить состоятельность предположенной модели комплекса,определить его оптимальную конфигурацию, но при необходимости уточнить и дажепредугадать новые стабильные ВСК и характерные для них колебательные моды.2.4.1 Молекулярный водородДля собственного кремния в отсутствии дефектов наиболее устойчивой формойнахождения H в кристаллической решётке является водород в молекулярном виде (Н2),расположенный в тетраэдрическом межузельном положений (Td) (Рис.5).