Исследование примесных микровключений никеля и кобальта в кремнии

INVESTIGATION OF IMPURITY MICROINCLUSIONS OF NICKEL AND COBALT IN SILICON

Turgunov Nozimjon

Candidate of physical and mathematical sciences, associate professor Academy of the Ministry of Internal Affairs of the Republic of Uzbekistan, Republic Uzbekistan, Tashkent

Аннотация. Методом электронного зондового микроанализа была исследована последовательность процессов образования примесных микровключений никеля и кобальта в кремнии при диффузионном легировании. Исследования проводились с образцами n-Si <Ni>, n-Si <Co> и p-Si <Co>, полученными диффузионным легированием, с различными скоростями охлаждения после диффузионного отжига. Установлено, что образование многослойных примесных микро­включений никеля и кобальта в кремнии начинается с внешних слоев.

Abstract. The sequence of processes of formation of impurity microinclusions of nickel and cobalt in silicon under diffusion doping was studied by the method of electron probe microanalysis. The investigations were carried out with samples of n-Si<Ni>, n-Si<Co> and p-Si<Co> obtained by diffusion doping, with different cooling rates after diffusion annealing. It is established that the formation of multilayer impurity microinclusions of nickel and cobalt in silicon begins with the outer layers.

Ключевые слова: примесные микровключения; диффузионная пористость; электронный зондовый микроанализ; образование микро­инключений.

Keywords: impurity microinclusions; diffusion porosity; electron probe microanalysis; formation of microinclusions.

Введение. В настоящее время существует много методов теоре­тического обоснования механизмов образования примесей примесей в монокристаллах кремния. Но эти механизмы не всегда удовлетворяют надежности описаний кинетики процессов, конкретно возникающих при допинге или под влиянием внешних воздействий. Достоверные результаты в этой области исследований достигаются при применении этих методов к конкретным примесям, с учетом соответствующих корректировок. По этой причине при описании механизмов образования примесных микровключений необходимо учитывать уникальные характеры и параметры конкретных примесей, а также внешние влияющие факторы.

Изучение закономерностей образования примесных дефектов в объеме монокристаллов кремния и особенности их внутренней структуры в течение ряда лет показали, что эти особенности являются результатом различных внешних воздействий на дефектообразующую среду, изменений в его химическом составе и состоянии. В ряде работ [1-4] приводятся данные об отдельных этапах структурных изменений, а также фазовые превращения, возникающие под влиянием внешних воздействий при формировании микроструктуры материала. Однако до настоящего времени механизмы образования примесных микровклю­чений элементов переходной группы металлов конкретно не определены. В связи с этим, нами были проведены исследования по изучению кинетики роста примесных микровключений Ni и Co в монокристаллах кремния.

Методика эксперимента. Чтобы выявить последовательность процессов образования примесных микровключений при диффузионном легировании кремния, нами были проведены комплексные исследования структур образцов с примесными микровключениями. Структурные исследования проводились с помощью электронно-зондового микроана­лизатора Superprobe JXA-8800R. Образцы n-Si <Ni> были получены на основе исходного материала - монокристаллического кремния с электронной проводимостью, с удельным сопротивлением r = 10 Ом·см, выращенным методом Чохральского. Образцы Si <Co> n- и р-типа были получены на основе исходного материала – монокристаллического кремния с удельным сопротивлением r = 20¸40 Ом·см. Легирование проводили путем диффузии при Т = 1373-1523 К, с последующим охлаждением с разными скоростями.

Экспериментальная часть. Согласно [5], одним из механизмов процесса образования пор является диффузионная пористость, возникающая в результате миграции избыточных вакансий или их взаимодействия с другими структурными дефектами. Как известно, в процессе диффузии при высоких температурах из-за выхода атомов из узлов кристаллической решетки концентрация избыточных вакансий увеличивается. С учетом того, что типичное значение энергии образования вакансий в кристаллах составляет около 1 эВ [6], при температурах T>1323 К в монокристаллах Si концентрация вакансий составляет не менее 10¹⁶ см^-3, и такое количество C_v является вполне достаточной для образования макропор.

Из полученных результатов микроструктурного анализа в образцах n-Si после термообработки при T=1323 К видно (Рис. 1), что сформированные поры имеют аналогичную форму и их размеры достигают ~50 нм.

Рисунок 1. Микрофотография вакансионных пор, образовавшихся в объеме образцов n-Si после термообработки при T=1323 K

Исследования структуры образцов n-Si<Ni> показали, что в зависи­мости от значения скорости охлаждения – υ_охл, после диффузионного отжига в объеме образцов образуются примесные микровключения, имеющие разные размеры и геометрические формы. В образцах n-Si <Ni> с быстрым охлаждением υ_охл=600 град/сек после диффузионного отжига образуются микровключения с размерами до 10^-6 м. Электронно-микроскопический анализ таких включений показывает, что они состоят из нескольких слоев силицидов никеля и имеют иглообразную дискретную, линзовидную и сложную многогранную форму, подхо­дящую для сферы (рис. 2(а)). Плотность таких микровключений в объеме образцов достигал ~10⁵ см^-3. При аналогичном значении υ_охл в образцах p-Si<Ni>, образуются микровключения, имеющие различные геометрические формы, с размерами до ~0,5×10^-6 м.

В объеме образцов n-Si<Ni> при υ_охл<10 град/сек после диффузионного отжига образуются микровключения с относительно большими размерами (до ~6×10^-6 м) и имеют в основном сферическую форму (рис. 2(б)). Микроструктурный анализ таких микровключений показал, что они состоят из нескольких силицидных слоев. На изобра­жениях четко выделены границы между слоями силицидов, которое показывает, что каждая силицидная оболочка имеет определенное поверхностное напряжение.

Рисунок 2. Фотографии примесей-примесей в образцах n-Si <Ni> со скоростью охлаждения: a - υ_охл=600 град/сек; б - υ_охл=1 град/сек.

Результаты микроструктурных исследований монокристаллов кремния, легированного кобальтом, показали, что в их объеме также образуются примесные микровключения. Они имеют разные формы и размеры. В образцах n-Si<Co> с υ_охл=400 град/сек образуются примесные микровключения с иглообразными, линзообразными, дискообразными и сферическими формами, максимальные размеры которых достигают ~5×10^-7 м. Плотность таких микровключений составляет ~10³ см^-3. В объеме образцов n-Si <Co> с υ_охл£1 град/сек наблюдаются сферические микровключения и их размеры достигают ~8×10^-7 м (рис. 3(а)).

Исследование структуры образцов p-Si<Co> с быстрым охлажде­нием (υ_охл³400 град/сек) показало, что примесные микровключения, образовавшиеся в их объеме, аналогичны микровключениям в n-Si<Co>. Большинство из них имеют монослойную структуру, а также игло­образную, дискообразную, пластинчатую и линзообразную форму, с размерами до ~5×10^-7 м. В образцах p-Si<Co> с υ_охл£1 град/сек наблюдаются микровключения со сферическими и линзообразными формами, размеры которых достигают ~1,5×10^-6 м (рис. 3(б)). На рисунке показано, что примеси микровключения с относительно большими размерами имеют многослойную структуру.

Рисунок. 3. Снимки примесных микровключений кобальта: a - в образцах n-Si<Co> с υ_охл=1 град/сек; b - в образцах p-Si <Co> с υ_охл=1 град/сек.

Обсуждение. Рассмотрим отдельные элементарные стадии формирования структуры микровключений и механизмы их роста. В процессе диффузионного легирования существование мощного потока легирующих атомов в реакционной зоне, присутствие атомов Ni в окружающей кристаллической структуре вокруг вакансионных пор, дислокаций и трещин как независимой фазы приводит к тому, что силицид NiSi₃ становится неустойчивым и превращается в силицид типа NiSi₂. Кроме того, простая реакция на образование силицида типа NiSi₃ усложняется, и на последующих этапах одновременно происходят два процесса: образование силицида NiSi₃ в поверхностной зоне и последующая «силицидация» в его внутренней зоне с образованием NiSi₂. В зависимости от скорости охлаждения образцов после диффузии процесс силицида может быть увеличен в порядке увеличения количества примесных атомов в микроструктуре. Последующие этапы формирования микровключений определяются ходом процессов проскальзывания примесных атомов как вдоль межатомной, так и межфазной границы. В связи с этим во время образования примесей микровключений на начальной стадии образуется силицид типа NiSi₃, затем силициды образуются в следующем порядке: NiSi₂, NiSi, Ni₂Si, Ni₃Si.

Изучение этапов образования микровключений кобальта в кремнии показало, что образование многослойных микровключений кобальта также начинается с поверхностных слоев. На начальном этапе образования микровключений образуются силициды типа CoSi₃ с последующим образованием силицидов в следующем порядке: CoSi₂, CoSi, Co₂Si и т. д.

Заключение. Таким образом, в процессе диффузионного легирования монокристаллов кремния образование многослойных примесных микровключений никеля и кобальта в кремнии начинается с внешних оболочек. Изначально образуется слой силицида с наимень­шим значением в них доли примесных атомов. В последующих этапах формирования микровключений, в них образуются силицидные слои, более обогащенные металлом. Значение скорости охлаждения образцов, после диффузионного отжига играет существенную роль при форми­ровании примесных микровключений.