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.