Изменение удельного сопротивления монокристаллов кремния вследствие термической обработки

Известно, что термическая обработка вызывает изменение удельного электросопротивления германия. Недавно было показано, что эти изменения по крайней мере частично связаны с присутствием меди. Мы наблюдали аналогичные изменения удельного электросопротивления кремния; однако эти изменения обусловлены, по-видимому, другой причиной.

Явление обнаруживается в определенных монокристаллах Si, выращенных из расплава методом вытягивания. При нагреве образцов таких кристаллов в течение нескольких часов в температурном интервале 350—500° часто наблюдается увеличение электронной проводимости (n-типа) или уменьшение дырочной проводимости (р-типа), соответствующее изменению концентрации носителей, на величину свыше 2*10в16 носителей. Эти изменения происходят в обратном направлении при нагреве при 1000° (или выше) в течение нескольких минут.

Скорость изменения концентрации носителей для данного образца Si зависит от температуры термической обработки, будучи максимальной при 440° + 10°. Выше и ниже этой температуры скорость уменьшается с температурой. Типичная кривая показана на фиг. 1. В данном случае Si р-типа имел первоначальное удельное электросопротивление 25 ом*см и после 65 час. нагрева при 460° перешел в Si n-типа с удельным сопротивлением 0,47 ом*см. Как показано на фиг. 1, этот образец возвратился к своему первоначальному удельному электросопротивлению после нагрева при 1125° в течение 0,5 часа. Цикл оставался обратимым только при кратковременном высокотемпературном нагреве. После двухчасового нагрева при 1200° скорость изменения сопротивления при низкотемпературном отжиге стала меньше, а после 17-часового отжига при 1100° последующий отжиг при 460° в течение 500 час. не вызвал какого-либо существенного увеличения носителей. Последнему явлению, названному «стабилизацией», по-видимому, благоприятствует предшествующий низкотемпературный отжиг.

При промежуточных температурах (в интервале 500—1300°) изменение удельного сопротивления зависит от температуры отжига и предшествующей тепловой истории Si. Если кристалл Si привести в состояние с максимальной концентрацией электронов путем длительного нагрева, например при 460°, то затем при нагреве около 500° электронная концентрация монотонно уменьшается, асимптотически приближаясь к постоянному значению несколько выше первоначального. Если такой кристалл нагревать затем при 700°, то электронная концентрация сначала уменьшается, часто до своего первоначального значения, а затем при дальнейшем нагреве увеличивается до некоторого промежуточного значения. В образцах Si, приведенных путем нагрева при высокой температуре к состоянию с минимальной электронной концентрацией, часто наблюдается увеличение числа электронов при последующем нагреве в температурном интервале 500—800°.

Описанные выше сложные изменения не зависят, по-видимому, от атмосферы, в которой проводят отжиг. Пока еще не установлена также роль поверхностных примесей. Изменения происходят в объеме кристалла и, по-видимому, не связаны с диффузией на большие расстояния. Как указано выше, мы не смогли установить определен ной зависимости между концентрацией носителей и температурой.

Наиболее существенные явления, наблюдаемые при термической обработке, связаны с изменением условий роста кристалла. В центральной части кристаллов, выращенных при нормальных условиях и исследованных после 10—20 час. отжига при 460°, наблюдались небольшие изменения в концентрации носителей. На поверхности оставался слой неизменного Si, причем глубина слоя изменялась приблизительно обратно пропорционально диаметру кристалла. Увеличение числа носителей в центральных частях кристалла также в общем обратно пропорционально диаметру.

Эти наблюдения указывают, что данное явление тесным образом связано с движением потоков жидкости в расплавленном кремнии в процессе роста. Существенным подтверждением этого является влияние вращения кристалла в процессе роста. Это иллюстрируется фиг. 2, на которой дано поперечное сечение кристалла. Области А и В были выращены при вращении кристалла со скоростью 100 об/мин. Центральная область Б была выращена без вращения. После выращивания кристалл был отожжен в течение 20 час. при 460°, после чего в нем были выявлены р—n-переходы с помощью суспензии титаната бария при приложении напряжения в 60 в. Переходы отчетливо видны на фотографии. В частях А и В, выращенных с вращением, концентрация электронов при термической обработке возросла на 1,75-10в16 см-3 а в части Б, выращенной без вращения, только на 4,4*10в14 см-3. При промежуточных скоростях вращения глубина поверхностного слоя кристалла, который остается неизменным при отжиге при 475°, быстро увеличивается с уменьшением скорости вращения.

Причина описанных выше изменений удельного электросопротивления в настоящее время не выяснена. Очевидно, это явление непосредственно связано с процессом роста кристалла: однако для решения вопроса, вызывается ли оно дефектами решетки или примесями, или тем и другим вместе, необходима дальнейшая работа.