научная статья по теме ОСОБЕННОСТИ СТИМУЛИРОВАННОГО НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ РЕНТГЕНОВСКИМ ИЗЛУЧЕНИЕМ ИЗМЕНЕНИЯ МИКРОТВЕРДОСТИ КРИСТАЛЛОВ КРЕМНИЯ Физика

Текст научной статьи на тему «ОСОБЕННОСТИ СТИМУЛИРОВАННОГО НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ РЕНТГЕНОВСКИМ ИЗЛУЧЕНИЕМ ИЗМЕНЕНИЯ МИКРОТВЕРДОСТИ КРИСТАЛЛОВ КРЕМНИЯ»

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 9, с. 100-104

УДК 548.4

ОСОБЕННОСТИ СТИМУЛИРОВАННОГО НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ РЕНТГЕНОВСКИМ ИЗЛУЧЕНИЕМ ИЗМЕНЕНИЯ МИКРОТВЕРДОСТИ КРИСТАЛЛОВ КРЕМНИЯ

© 2015 г. Л. П. Стебленко1, С. Н. Науменко1, А. Н. Курилюк1, *, А. Н. Крит2, Ю. Л. Кобзарь1, Д. В. Калиниченко1, П. П. Когутюк1

1Киевский национальный университет им. Тараса Шевченко, физический факультет, 01601 Киев, Украина 2Учебно-научный центр "Физико-химическоематериаловедение" Киевского национального университета им. Тараса Шевченко и НАН Украины, 01033 Киев, Украина

*Е-таИ: kurylyuk_a2008@ukr.net Поступила в редакцию 03.09.2014 г.

В работе исследованы особенности изменения микротвердости в кристаллах п- и р-типа проводимости при воздействии на них низкоэнергетического (Е = 8 кэВ) малодозового (Б = (1.8 х 103—3 х 104) Гр) рентгеновского излучения. Эти изменения классифицируются как радиационно-механический эффект и зависят от ряда факторов — глубины залегания слоев, типа проводимости кристаллов кремния и концентрации носителей заряда. Выявленное различие радиационно-механических эффектов в кристаллах 81 п- и р-типа проводимости связывают со спецификой стимулированных рентгеновским излучением междефектных преобразований в исследуемых кристаллах.

Ключевые слова: микротвердость, радиационно-механический эффект, радиационные дефекты, рентгеновское излучение.

БОТ: 10.7868/80207352815060207

ВВЕДЕНИЕ

Проблема повышения устойчивости полупроводниковых приборов к воздействию внешних дестабилизирующих факторов (температуры, радиации, давления, физических полей) — одна из актуальных в современной микроэлектронике. Кроме того, высокий уровень структурных дефектов и остаточных напряжений в кристаллах полупроводников может служить причиной стимулированных внешними факторами процессов деградации параметров полупроводниковых приборов. В частности, явления деградации могут интенсивно протекать при воздействии на полупроводниковые структуры излучения как с над-пороговыми, так и с допороговыми значениями энергии [1, 2]. Последний случай, связанный с влиянием допороговых энергий, наиболее интересен, поскольку он меньше исследован, чем случай, связанный с влиянием надпороговых энергий.

Важность понимания природы физических процессов при низкоэнергетических радиационных воздействиях и малочисленная база экспериментальных исследований в указанном направлении обусловила целесообразность выполнения данной работы, целью которой было изучение изменения микротвердости кристаллов 81 п-и р-ти-

па проводимости под влиянием низкоэнергетического рентгеновского излучения.

МЕТОДИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАБОТЫ

В работе исследовались выращенные методом Чохральского кристаллы 81 п- и р-типа проводимости, которые имели кристаллографическую ориентацию поверхности {111}. Кристаллы 81 п-ти-па были легированы фосфором до удельного сопротивления 4.5 Ом • см, а кристаллы 81 р-типа были легированы бором до удельного сопротивления 0.001 Ом • см и до удельного сопротивления 10 Ом • см. Исследуемые образцы кремния подвергались воздействию рентгеновских лучей. Использованное рентгеновское излучение было низкоэнергетическим (Е = 8 кэВ) и малодозо-вым. Доза варьировалась в пределах Б = (1.8 х х 103—3 х 104) Гр. Индикатором рентгеновского влияния служили две характеристики: микротвердость и примесный состав кристаллов 81. Микротвердость контрольных и облученных кристаллов 81 определялась на микротвердомере ПМТ-3М с погрешностью 3%. Величина измененной в результате рентгеновского воздействия микротвердости, т.е. относительная микротвердость, расчитывалась по формуле (Н0 — Н)/Н0, где Н0 — микротвердость контрольных образцов, Н—

микротвердость образцов, подвергавшихся рентгеновскому воздействию. Относительная микротвердость в кристаллах кремния оценивалась при различных нагрузках на индентор в слоях, залегающих под поверхностью на различных глубинах (к = 0.75—2.0 мкм). В этих же слоях методом рент-геноспектрального анализа исследовался примесный состав. Данная методика основана на использовании рентгеновского микроанализатора и растрового электронного микроскопа. В рентгеновском микроанализаторе интерес вызывает характеристическое рентгеновское излучение, возникающее под действием электронной бомбардировки. Анализ излучения может дать как качественную, так и количественную информацию об области образца диаметром в несколько микрометров. Ключом к пониманию работы рентгеновского спектрометра с дисперсией по энергии служит то, что амплитуды импульсов зафиксированных детекторов в среднем пропорциональны энергии рентгеновских квантов. Исследования, проведенные с привлечением рентгеновского спектрального анализа, касались оценки содержания атомов углерода и атомов кислорода в контрольных образцах и в образцах, прошедших рентгеновскую обработку.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Выполненные исследования показали, что в кристаллах 81 п- и^-типа проводимости под действием низкоэнергетического малодозового излучения возникает эффект изменения микротвердости, который был классифицирован как радиационно-механический эффект. Как видно из представленных на рис. 1 экспериментальных результатов, действие рентгеновских лучей на кристаллы 81 п-типа проводимости при достаточно низких дозах ионизирующего излучения (Б = = 3.7 х 103 и 7.5 х 103 Гр) вызывает неординарный радиационно-механический эффект в ближайших к поверхности слоях. Неординарность проявляется в разнознаковости эффекта при малых дозах облучения (зависимость 2, 3на рис. 1).

В слоях 81 п-типа, залегающих на глубине 0.75—0.9 мкм под поверхностью, под действием рентгеновского излучения наблюдается эффект возрастания микротвердости. Таким образом, в тонких приповерхностных слоях рентгеновское воздействие приводит к упрочнению слоев и вызывает появление в них положительного радиа-ционно-механического эффекта. Напротив, в более глубинном слое (к = 1.15 мкм) под влиянием рентгеновского излучения наблюдается уменьшение микротвердости. Последнее указывает на изменение знака эффекта с положительного на отрицательный и, соответственно, свидетельствует об изменении эффекта упрочнения на эффект пластификации приповерхностного слоя. В

Щ - И/И0, %

30 г

25 -20 -15 -10 -5 -

0 --5 --10 -

_ _I

0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2

к, мкм

Рис. 1. Зависимость относительной микротвердости (радиационно-механического эффекта) в кристаллах 81 п-типа от глубины приповерхностного слоя; образцы подвергнуты рентгеновскому облучению дозами Б:

1 - 1.8 х 103; 2 - 3.7 х 103; 3 - 7.5 х 103; 4 - 1.5 х 104; 5 - 3 х 104 Гр. Концентрация носителей п = 1.5 х 1015.

слоях, залегающих на глубинах к = 1.15-1.4 мкм, радиационно-механический эффект уменьшается и на глубинах к = 1.4-2.0 мкм исчезает. Стоит отметить, что амплитуда немонотонных изменений более ярко выражена при малых дозах облучения: 3.7 х 103 и 7.5 х 103 Гр. Увеличение дозы облучения до значений 1.5 х 104 и 3 х 104 Гр приводит к изменению знака радиационно-механического эффекта. Было установлено, что при дозе Б = = 3.0 х 104 Гр эффект насыщается. В то же время полученные экспериментальные данные показали, что при дозе Б = 1.8 х 103 Гр эффект отсутствует (зависимость 1 на рис. 1). Последнее указывает на пороговый характер радиационно-механиче-ского эффекта.

Установленная в кристаллах 81 п-типа при малых дозах разнознаковость радиационно-механи-ческого эффекта в зависимости от глубины залегания слоев может быть связана с немонотонным изменением под воздействием рентгеновского излучения концентрации структурных дефектов. Исследования, проведенные с помощью рентге-носпектрального анализа, выявили в кристаллах 81 п-типа различия в концентрации примесей углерода и кислорода в различных по глубине залегания под поверхностью слоях. Так, в более близких к поверхности слоях (к = 0.75-0.9 мкм) концентрация атомов углерода после рентгеновской обработки возрастает в два раза, а концентрация атомов кислорода уменьшается в 2 раза. В более глубоких слоях кристаллов 81 п-типа (к > 1.2 мкм) концентрация углерода и кислорода после рентгеновской обработки практически не изменяется.

0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

к,

102

СТЕБЛЕНКО и др.

Ho — H/Ho, % 25

20 15 10 5

0

1

0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2

к, мкм

Рис. 2. Зависимость относительной микротвердости (радиационно-механического эффекта) в кристаллах 81 р-типа от глубины приповерхностного слоя. Доза рентгеновского излучения Б = 3.7 х 103 Гр. Концентрация носителей п: 2.5 х 1020 (1); 1.5 х 10К (2).

В [3] отмечается, что примеси углерода в кремнии способны ускорять процесс преципитации кислорода. То, что в результате исследований было обнаружено радиационно-стимулированное возрастание концентрации углерода и уменьшение концентрации кислорода, хорошо коррелирует с утверждением о влиянии углерода на преципитацию кислорода в кристаллах 81. В связи с вышеизложенным стимулированный низкими дозами рентгеновского излучения эффект увеличения микротвердости в ближайших к поверхности слоях 81 п-типа можно связать с увеличением концентрации примесных кислородсодержащих преципитатов. Образование преципитатов создает высокие внутренние микронапряжения и приводит к соответствующему эффекту упрочнения, который классифицировался в работе как положительный радиационно-механический эффект.

Отрицательный радиационно-механический эффект, т.е. эффект уменьшения микротвердости в кристаллах 81 п-типа после облучения малыми дозами, наблюдавшийся в более удаленных от поверхности слоях, коррелирует с отсутствием в этих слоях изменений в концентрации углерода. Это приводит к отсутствию в данных слоях процессов преципитации кислорода и сопровождается исчезновением эффекта упрочнения. Проявление в более удаленных от поверхности слоях эффекта пластификации может быть связано со спецификой стимулированных рентгеновским излучением междефектных преобразований.

Как известно из литературных источников [4], в условиях низкоэнергетического излучения действует примесно-ионизационный механизм радиационного дефектообразования. Полученные в

данной работе эксперимен

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком