PL216856B1 - Sposób wykrywania napromieniowania krzemu elektronami - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wykrywania napromieniowania elektronami krzemu monokrystalicznego otrzymanego metodą Czochralskiego lub struktur wykonanych z takiego krzemu. Sposób ten przeznaczony jest zwłaszcza do diagnostyki krzemu zawierającego jako podstawową domieszkę tlen w położeniach międzywęzłowych, a napromieniowanych elektronami o energii z zakresu 30 keV - 7 MeV i o dawce 10¹³ cm^-2 - 10¹⁷ cm^-2.

Monokrystaliczny krzem (Cz-Si) jest podstawowym materiałem współczesnej mikroelektroniki (stanowi ponad 90% monokrystalicznego Si używanego przy wytwarzaniu układów scalonych). Taki krzem stosowany jest między innymi przy wytwarzaniu elementów fotowoltaicznych, różnego rodzaju detektorów promieniowania, także w zastosowaniach kosmicznych i w akceleratorach cząstek elementarnych.

Wykrywanie napromieniowania przyrządów krzemowych czy struktur jest istotne w ich diagnostyce, natomiast wykrywanie napromieniowania w krzemie monokrystalicznym jest interesujące z punktu widzenia zastosowania tego materiału do celów dozymetrycznych.

Napromieniowanie elektronami powoduje, że podczas zderzenia elektronów z atomami krzemu w sieci monokrystalicznego Si część energii elektronu jest przekazywana atomom Si. W konsekwencji atomy Si ulegają przemieszczeniu, także do pozycji międzywęzłowych. Takie atomy są określane jako Sii; równocześnie w sieci krzemu generowane są luki, określane jako V. Sii oraz V mogą następnie oddziaływać ze sobą (anihilować) a także z innymi domieszkami obecnymi w sieci monokrystalicznego Cz-Si (w tym głównie z tlenem w położeniach międzywęzłowych, Oi). W tym ostatnim przypadku powstają stosunkowo trwałe kompleksy V - O (VO, V2O i in.) oraz bardziej złożone defekty, zazwyczaj także 16 -3 zawierające tlen ew. węgiel, również zawarty w Cz-Si, o koncentracji do ponad 3x10¹⁶ cm^-3. Podstawowa część energii padającej wiązki elektronów jest rozpraszana ostatecznie w postaci ciepła, powodując wzrost temperatury napromieniowanego Cz-Si a tym samym wzmożoną anihilację V oraz Sii.

W temperaturze otoczenia, napromieniowany Cz-Si zawiera utworzone w wyniku napromieniowania i wzajemnych oddziaływań defekty, głownie tak zwane defekty typu A (kompleksy V - O) i pochodne. Defekty tego rodzaju mogą być ujawnione różnymi metodami, zazwyczaj stosuje się metody elektryczne, strukturalne metody rentgenowskie lub metody absorpcyjne w zakresie podczerwieni. Skuteczność tych metod jest zależna od ich dokładności, rodzaju napromieniowanego krzemu (zawartość tlenu międzywęzłowego i innych domieszek, typ przewodnictwa, struktura defektowa), od parametrów samego napromieniowania (energia elektronów, temperatura) oraz od czułości aparatury pomiarowej.

Do najbardziej interesujących z punktu widzenia zastosowań należą komercyjnie dostępne płytki monokrystalicznego krzemu, które mają zazwyczaj grubość ok. 0,6 mm, koncentrację tlenu, co,

-3 w przedziale 5 - 12x10¹⁷ cm^-3) i zostały poddane napromieniowaniu elektronami o energii, E, w zakre13 17 -2 sie od 30 keV do 7 MeV i o dawkach, D, w zakresie od 1x10¹³ do 1x10¹⁷ cm^-2.

Stwierdzono, że w zależności od energii użytej do napromieniowania, w płytkach takich da się wyróżnić trzy charakterystyczne stany.

W przypadku zastosowania stosunkowo niskiej energii E (30 keV < E < 200 keV) zasięg elektronów wynosi do kilku mikrometrów a więc defekty są generowane przez napromieniowanie jedynie w przypowierzchniowej warstwie napromieniowanego Cz-Si. Tylna strona napromieniowanej płytki nie zostaje praktycznie zaburzona przez napromieniowanie, pozostaje wolna od defektów, a więc może być ona traktowana jako wzorcowa / referencyjna. Cecha ta jest wykorzystywana przy niektórych pomiarach (np. elektrycznych), które służą do określenia zmian strukturalnych krzemu powstałych w wyniku napromieniowania elektronami.

W przypadku, gdy użyta energia wynosi 200 keV << E < 2 MeV, zasięg elektronów jest większy, i dla typowej płytki czy struktury (o grubości 0,6 mm) defekty generowane są w całej objętości. Zmiany cech strukturalnych Cz-Si, spowodowane napromieniowaniem, są w takim wypadku również zależne od głębokości wnikania. Stosowane do pomiarów napromieniowania metody mają typowo charakter objętościowy i wymagają zazwyczaj stosowania odrębnego wzorca.

W przypadku, gdy użyta energia wynosi 2 MeV < E < 7 MeV zasięg elektronów jest znacząco większy i w standardowych płytkach / strukturach Cz-Si defekty generowane są praktycznie równomiernie w obrębie całej objętości. Zmiany cech Cz-Si, spowodowane napromieniowaniem, są w takim wypadku praktycznie niezależne od głębokości wnikania Stosowane do pomiarów metody mogą mieć charakter objętościowy lub powierzchniowy i wymagają zazwyczaj stosowania wzorca.

PL 216 856 B1

We wszystkich trzech omawianych stanach, zmiany struktury defektowej spowodowane napromieniowaniem Cz-Si elektronami są stosunkowo niewielkie, trudne do detekcji i wymagają, w przypadku pomiarów bezpośrednio po napromieniowaniu, wykorzystania specjalistycznej aparatury o wysokiej czułości (np. DLTS).

Celem wynalazku jest opracowanie takiego sposobu wykrywania defektów w Cz-Si, wygenerowanych przez napromieniowanie elektronami, który nie wymagałby stosowania aparatury specjalistycznej wysokiej klasy, a zapewniałby poprawny rezultat pomiarów.

Sposób według wynalazku przeznaczony jest do wykrywania napromieniowania, krzemu Cz-Si 13 -2 17 -2 lub struktur krzemowych, elektronami o energii w zakresie 30 keV - 7 MeV i o dawce 10¹³ cm^-2 - 10¹⁷ cm^-2, za pomocą pomiarów elektrycznych, strukturalnych metod rentgenowskich lub metod absorpcyjnych w zakresie podczerwieni.

W sposobie tym, przed właściwymi pomiarami napromieniowany krzem, który jako podstawową domieszkę zawiera tlen, poddaje się wygrzewaniu w temperaturze od 420°C do 1200°C, w atmosferze gazu obojętnego, pod ciśnieniem od 0,03 do 1,2 GPa, przez czas do 10 godzin. Korzystnie jest jeżeli wygrzewanie prowadzi się w atmosferze argonu lub helu.

Sposób według wynalazku pozwala na wykorzystanie sposobów i metod stosowanych dotychczas ale znacznie zwiększa ich dokładność. Dodatkowe wygrzewanie w warunkach podwyższonego ciśnienia krzemu Cz-Si, powoduje przyłączenie dodatkowych atomów tlenu międzywęzłowego do wygenerowanych przez napromieniowanie elektronami defektów. Dzięki czemu stają się one bardziej wyraźne (powiększone) przy jednoczesnym zmniejszeniu koncentracji tlenu międzywęzłowego.

Wynalazek zostanie objaśniony na trzech przykładach wykrywania napromieniowanych elektronami płytek Cz-Si.

W pierwszym przykładzie wykrywaniu napromieniowania poddano płytkę krzemową domieszkowaną borem (płytka Cz-Si typ przewodnictwa p, koncentracja dziur Np = 2x10¹⁵ cm^-3) o co = 9x10¹⁷ cm^-3 i o orientacji (001). Płytka ta została napromieniowana elektronami o stosunkowo niskiej energii, 16 -2

E = 40 keV i D = 1x10¹⁶ cm^-2, za pomocą spawarki elektronowej SE-10/60. Temperatura płytki w czasie napromieniowania wynosiła 50°C. Bezpośrednio po napromieniowaniu, płytka zachowała przewodnictwo typu p.

Następnie płytkę Cz-Si poddano wygrzaniu w temperaturze 450°C przez 10 godzin pod ciśnieniem hydrostatycznym argonu równym 1,1 GPa. W wyniku takiego procesu w płytce wytworzyły się, jak zostało stwierdzone w wyniku pomiarów pojemnościowo-napięciowych (C-V), tak zwane donory termiczne, TD. Napromieniowanie elektronami wywarło istotny wpływ na ich koncentrację, a wygrzewanie w 450°C pod ciśnieniem 1,1 GPa przez 10 godzin spowodowało zmianę typu przewodnictwa na elektronowe, typu n, w całej objętości płytki. Natomiast koncentracja nośników, określona metodą C-V, 15 -3 wyniosła 4x10¹⁵ cm^-3 w przypadku powierzchni napromieniowanej elektronami i była o 25% niższa od zmierzonej na powierzchni nie napromieniowanej, która w tym przypadku była traktowana jako kontrolna (referencyjna). Odpowiednie wygrzanie napromieniowanej płytki spowodowało znaczne zmniejszenie koncentracji TD przy powierzchni napromieniowanej, a tym samym sprawiło, że efekt zmniejszenia koncentracji TD jest łatwo mierzalny.

W takiej samej płytce napromieniowanego Cz-Si wygrzewanej przez 5 godzin w 1000°C pod ciśnieniem 1,1 GPa zarejestrowano tak zwane rentgenowskie rozpraszanie dyfuzyjne o około 200% wyższym natężeniu w porównaniu z identycznie napromieniowaną płytką ale nie poddaną obróbce ciśnieniowo - termicznej.

W drugim przykładzie wykrywania napromieniowania poddano domieszkowaną borem płytkę Cz-Si 14 -3 17 -3 (o typie przewodnictwa p, koncentracji nośników dziurowych, Np = 5x10¹⁴ cm^-3) o co = 8,5x10¹⁷ cm^-3 14 -2 i o orientacji (001). Płytkę napromieniowano elektronami o energii, E = 2,5 MeV i D = 10¹⁴ cm^-2 za pomocą akceleratora elektronowego. Temperatura płytki w czasie napromieniowania nie przekraczała 30°C. Następnie płytkę tą poddano wygrzaniu w temperaturze 1130°C przez 5 godzin pod ciśnieniem hydrostatycznym argonu równym 1,1 GPa. W wyniku zastosowanego procesu, w płytce, na tak zwanych centrach zarodkowania nastąpiło, wytrącenie tlenu międzywęzłowego Oi, z wytworzeniem wytrąceń tleno-1 wych o składzie SiO2-x (badanie pomiaru absorpcji Cz-Si w podczerwieni przy częstotliwości 1107 cm^-1, metodą FTIR). Zmniejszenie koncentracji tlenu międzywęzłowego, Δα_: wyniosło 50%, a rozpraszanie dyfuzyjne promieniowania rentgenowskiego jak wykazano przy zastosowaniu metod rentgenowskich (tak zwane mapowanie sieci odwrotnej), wzrosło o około 100%.

W trzecim przykładzie napromieniowaniu poddano domieszkowaną borem płytkę Cz-Si, identyczną jak w przykładzie pierwszym (typ przewodnictwa p, Np = 2x10¹⁵ cm^-3) o co = 9x10¹⁷ cm^-3, orien4

PL 216 856 B1

-2 tacja (001)). Płytka została napromieniowana elektronami o wysokiej energii, E = 7 MeV i D = 10¹⁵ cm^-2, za pomocą akceleratora elektronowego. Temperatura płytki w czasie napromieniowania wynosiła

30°C. Bezpośrednio po napromieniowaniu, próbka Cz-Si wykazywała przewodnictwo typu p, 15 -3 o Np = 1,5x10¹⁵ cm^-3. Następnie płytkę Cz-Si poddano wygrzaniu w temperaturze 450°C przez 10 godzin pod ciśnieniem hydrostatycznym argonu równym 1,1 GPa. W wyniku takiego procesu, w płytce Cz-Si zostały wytworzone donory termiczne, TD, nastąpiła zmiana typu przewodnictwa na elektronowe, typu n, w całej objętości płytki a koncentracja nośników, określona metodą C-V wyniosła 3x10¹⁴ cm^-3.

Claims (2)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wykrywania napromieniowania elektronami w krzemie (Cz-Si) zawierającym jako podstawową domieszkę tlen, względnie struktur na bazie takiego krzemu, poddanych napromieniowa13 -2 17 -2 niu elektronami o energii z zakresu 30 keV - 7 MeV i o dawce z zakresu 10¹³ cm^-2 - 10¹⁷ cm^-2, za pomocą pomiarów elektrycznych, strukturalnych metod rentgenowskich lub metod absorpcyjnych w zakresie podczerwieni, znamienny tym, że przed pomiarami właściwymi krzem lub struktury krzemowe poddaje się wygrzewaniu w temperaturze od 420°C do 1200°C, w atmosferze gazu obojętnego, pod ciśnieniem od 0,05 do 1,2 GPa, przez czas do 10 godzin.
2. 2. Sposób według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że wygrzewanie prowadzi się w atmosferze argonu lub helu.