Experimentelle Analyse des Einflusses intrinsischer Defekte

Somit waren hinsichtlich eines Modells des Cz-Defekts zu Beginn der vorliegenden Arbeit noch viele Fragen ungeklärt. Dies betraf insbesondere auch die chemische Zusammensetzung des Defekts, sowie die aufgrund der zuvor dargelegten Ergebnisse wichtige, aber ungeklärte Frage nach einer möglichen Beteiligung intrinsischer Punktdefekte. Im Folgenden werden im Rahmen dieser Arbeit hierzu durchgeführte Experimente diskutiert, welche den Einfluss von interstitiellem Silicium sowie von Leerstellen betreffen.

A Interstitielles Silicium

Zur Klärung der Rolle von interstitiellem Silicium wurde dessen Einfluss auf die Bildung des metastabilen Cz-Defekts untersucht.²⁹ Die im Folgenden beschriebenen Experimente wurden an bordotierten Cz- sowie sauerstoffarmen FZ-Proben mit einem spezifischen Widerstand von 1Ωcm durchgeführt. Die Erzeugung von interstitiellem Silicium erfolgte durch Si²⁸ -Ionen-Implantation mittels Low Energy Implanter bei einer Energie von 36 keV und einer Dosis im Bereich von 3×10¹⁵ bis 6×10¹⁶ cm^-2. Die Proben mit <100>-Orientierung wurden während der Implantation um 7° achsenverdreht zur Minimierung des ion channeling. Die resultierende Peak-Dosis der Implantierung liegt ca. bei einer Tiefe von 50 nm. Die Si-Proben wurden wäh-rend der Implantation auf ca. 100°C erwärmt, um die Amorphisierung der Kristalloberfläche zu reduzieren [203] und anschließend für eine Stunde auf 900°C erhitzt. Durch die hohe Im-plantationsdosis erzeugte Versetzungsschleifen nahe der Oberfläche lassen sich hierbei

28 Allerdings finden sich in der Literatur auch Berechnungen zur Bildung eines energetisch bevorzugten Di-Sauer-stoff-Komplexes, welcher nicht notwendigerweise eine Injektion von interstitiellem Silicium bedingt [200].

29 Die Experimente wurden während eines durch ein Stipendium des Deutschen Akademischen Austauschdienstes (DAAD) ermöglichten Forschungsaufenthaltes in Zusammenarbeit mit der Australian National University (ANU) in Canberra (Australien) durchgeführt. Die hier beschriebenen Experimente wurden im Rahmen der Referenzen [201, 202] veröffentlicht.

lich auflösen und verursachen eine Injektion von interstitiellen Si-Atomen bis tief in das tallvolumen [201, 203]. Um eine unerwünschte Beeinflussung von verbleibenden Kris-tallschäden in der Nähe der Oberfläche auf Lebensdauermessungen zu vermeiden, wurden von der Oberfläche der Wafer einige Mikrometer Silicium abgeätzt. Zum Vergleich wurden Kon-trollproben hergestellt, deren Präparation inklusive Temperaturbehandlung bis auf die eigent-liche Ionen-Implantation identisch vollzogen wurde. Weitere Details zur Probenpräparation und den Experimente finden sich in den Referenzen [201-203].

Die Existenz überschüssiger interstitieller Si-Atome im Kristallvolumen nach der zuvor beschriebener Probenpräparation wurde indirekt über eine dadurch induzierte verringerte Konzentration des Sauerstoff-Leerstellen-Komplexes nachgewiesen. In Abbildung 5.5 sind Deep-Level Transient Spectroscopy (DLTS)-Messungen dargestellt, welche implantierten n-Typ-Kristallen sowie Vergleichsproben ohne Implantation entsprechen. Da beide Proben bis auf die Implantation identisch präpariert wurden, ist die starke Reduktion der Konzentration des Sauerstoff-Leerstellen-Komplexes auf die Implantation zurückzuführen. Eine Abschätzung der Konzentration interstitieller Si-Atome aus der Differenz der DLTS-Peaks ergibt einen Wert von ungefähr 10¹² cm^-3.

Zur Untersuchung eines möglichen Einflusses von Si_i auf die Degradationseigenschaften wurden Lebensdauermessungen mittels QSSPC-Apparatur an Proben mit PECVD-Nitrid-Passivierung durchgeführt [204]. Eine aufgrund des Degradationseffektes erhöhte Rekom-binationsrate lässt sich experimentell über die Proportionalität zur in Gl. (5.4) eingeführten, normierten Defektkonzentration (Nt^*:=1/τd −1/τ₀) der zu Grunde liegenden, lichtinduzierten Rekombinationszentren untersuchen. Hierbei ist τ0 die vor bzw. τd die nach Aktivierung des Cz-Defekts durch Beleuchtung (16 Stunden Weißlicht mit ca. 100 mW/cm²) gemessene Le-bensdauer.

In Abbildung 5.6 bzw. Abbildung 5.7 sind Lebensdauerwerte von Cz- bzw.- FZ-Proben mit einem spezifischen Widerstand von 1 Ωcm dargestellt, welche bei einer Injektionsdichte von ∆n =1×10¹⁵ cm^-3mittels QSSPC-Apparatur gemessen wurden. Es wird jeweils eine Kon-trollprobe („control“) ohne Ionenimplantation mit drei weiteren verglichen, welche mit unter-schiedlichen Si-Ionen-Dosen präpariert wurden. Die vor Beleuchtung gemessenen Lebens-dauerwerte (schraffierte Balken in Abbildung 5.6 und Abbildung 5.7) der Cz- und FZ-Proben nehmen mit zunehmender Dosis merklich ab. Dies spiegelt die erhöhte Anzahl interstitieller Si-Atome im Kristallvolumen wider. Zuvor konnte mittels Untersuchung der spektralen Empfind-lichkeit an entsprechend präparierten Proben festgestellt werden, dass diese bis zu mehreren hundert Mikrometer tief in den Kristall eindiffundieren können [203]. Dort bewirken sie eine Erhöhung der Rekombinationsrate, wobei dies grundsätzlich auch durch eine Wechselwirkung von Sii mit anderen Verunreinigungen und Defekten geschehen kann.

Im Folgenden wird eine mögliche Wechselwirkung mit Sauerstoff betrachtet, welche bei der Entstehung des ladungsträgerinduzierten Cz-Defekts eine Rolle spielen könnte. Hierzu ist in Abbildung 5.8 als charakteristische Größe die normierte Defektkonzentration Nt*

aufgetra-gen. Die Fehlerbalken entsprechen einer konservativen Abschätzung entsprechend einem 10%igen relativen Fehlers der Lebensdauermessung. Die sauerstoffarmen FZ-Proben zeigen nach Beleuchtung keine Lebensdauerdegradation und entsprechend N_t^*-Werte nahe Null. Die Cz-Kontrollprobe ohne Implantation zeigt eine lichtinduzierte Lebensdauerdegradation, welche

5.3 Einfluss intrinsischer Defekte und Modell des Bor-Sauerstoff-korrelierten Cz-Defekts 155

Abbildung 5.5. Vergleich der DLTS-Spektren von zwei FZ-Proben (n-Typ, 1 Ωcm) nach bzw. ohne Si-Implantation, welche jeweils einem Hochtemperatur-schritt bei 900°C unterzogen wurden. Der Peak nahe 80K lässt sich einem Sauerstoff-Leerstellen-Komplex zuordnen [202] .

Abbildung 5.6. Ladungsträgerlebensdauer von Cz-Silicium-Proben (p-Typ, 1 Ωcm), gemessen bei

∆n=10¹⁵ cm^-3. Die Messwerte in Abhängigkeit ver-schiedener Si-Implantationsdosen wurden vor (τdark) sowie nach lichtinduzierter Cz-Defekt-Aktivierung (τlight) ermittelt.

Abbildung 5.7. Ladungsträgerlebensdauer von FZ-Si-Proben, gemessen bei ∆n=10¹⁵ cm^-3. Die Messwerte in Abhängigkeit verschiedener Si-Implantationsdosen wurden vor (τdark) sowie nach Beleuchtung (τlight) er-mittelt.

Abbildung 5.8. Auswirkung verschiedener Si-Im-plantationsdosen auf die relative bzw. normierte De-fektkonzentration von Cz- und FZ-Proben. Die darge-stellten Fehlerbalken entsprechen einem (konservati-ven) relativen Fehler der Lebensdauerwerte von 10%.

012

-Werte der implantierten Cz-Kristalle verändern sich im Rahmen der experimen-tellen Fehlerbalken nicht signifikant mit zunehmender Dosis. Allerdings sind mit wachsender Dosis die Nt*

-Werte mit größerer Unsicherheit behaftet. Dies lässt sich durch die erhöhte Implantationsdosis erklären, welche Defekte erzeugt, die nicht in Zusammenhang mit dem lichtinduzierten Degradationseffekt stehen. Dennoch können die Nt*

-Werte nahe Null bei den

höheren Dosen als deutlicher Hinweis erachtet werden, dass die Konzentration des Cz-Defekts sich durch die erhöhte Konzentration der interstitiellen Si-Atome zumindest nicht erhöht hat, sondern eventuell sogar abgenommen hat. In einem im Folgenden erwähnten, auf Sauerstoff-Dimeren basierenden Cz-Defekt-Modell wäre eine möglich Erklärung, dass die Sii-Atome die Erzeugung oder Diffusion der Dimere unterdrücken. Allerdings lässt sich dies im Rahmen der durchgeführten Experimente nicht direkt belegen.

Die Untersuchungen weisen zwar darauf hin, dass keine positive Korrelation zwischen dem mit Bor und Sauerstoff in Zusammenhang stehenden Cz-Defekt und der erhöhten Sii -Konzentration besteht. Dennoch sind prinzipiell auch andersartige Wechselwirkungen zwischen interstitiellem Si und Sauerstoff möglich. Darauf deutet ein Vergleich von Abbildung 5.6 mit Abbildung 5.7 hin, wonach die Lebensdauer der Cz-Proben mit geringerer Dosis stärker abfällt als die Werte der sauerstoffarmen FZ-Proben. Dieser Zusammenhang ist in Abbildung 5.9 durch die Darstellung der Änderung der Rekombinationsrate relativ zur Kon-trollprobe entsprechend dem Ausdruck ∆U =^1/τ_implant−^1/τ_control bei ∆n =1×10¹⁵ cm^-3 ver-deutlicht, wobei τimplant bzw. τcontrol der Lebensdauer nach Ionenimplantation bzw. in der Kon-trollprobe entsprechen. Für die Cz-Proben wurde die Lebensdauer vor Beleuchtung zu Grunde gelegt, wobei die Ergebnisse bei Verwendung der degradierten Werte zu vergleichbaren Ergebnisse führten.

Mit zunehmender Implantationsdosis steigen die ∆U-Werte der Cz- und FZ-Kristalle ent-sprechend einer größeren Konzentration zusätzlicher Rekombinationszentren. Für die beiden geringeren Ionendosen ergibt sich bei den Cz-Proben jedoch eine signifikant größere Zunahme der Rekombinationsrate, welches ferner bei einer Auftragung der materialabhängigen Differenz

10¹⁵ 10¹⁶

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30

control

1Ωcm B-doped Cz Si 1Ωcm B-doped FZ Si

Change in recombination rate relative to control

Si implant dose (cm^-2)

10¹⁵ 10¹⁶

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10

control Difference in relative recombination rates U Cz-U FZ

Si implant dose (cm^-2)

Abbildung 5.9. Änderung der Rekombinationsrate bei

∆n = 10¹⁵ cm^-3 relativ zu Kontrollproben ohne Implan-tation, wobei die Datenpunkte der FZ- und ausge-heilten Cz-Proben für verschiedene Ionendosen darge-stellt sind.

Abbildung 5.10. Abweichung der relativen Rekombi-nationsraten U_Cz-U_FZ bei ∆n = 10¹⁵ cm^-3. Die Differenz ist proportional zur Dichte zusätzlicher Rekombina-tionszentren, die sich der Wechselwirkung von Sauer-stoff mit interstitiellen Si-Atomen zuschreiben lassen.

5.3 Einfluss intrinsischer Defekte und Modell des Bor-Sauerstoff-korrelierten Cz-Defekts 157

UCZ-UFZ in Abbildung 5.10 ersichtlich wird. Diese entspricht einer zusätzlichen Rekom-binationsrate in Cz-Si, die über den alleinigen Einfluss der Si_i-Atome hinausgeht, welcher auch in den implantierten FZ-Proben vorhanden ist. Eine nahe liegende Erklärung ist der vergleichs-weise hohe Gehalt an interstitiellem Sauerstoff in den Cz-Kristallen. Dies deutet darauf hin, dass eine Wechselwirkung von Si_i und Sauerstoff existiert, welche bei den beiden geringeren Dosen eine Erhöhung der Rekombinationsrate bewirkt. Bei der höchsten Ionendosis scheinen dagegen Defekte, welche in Zusammenhang mit Si_i stehen, aber nicht vom Sauerstoffgehalt beeinflusst werden, die Rekombinationsrate in beiden Materialtypen zu bestimmen.

Die Konzentration der mit Sii und Sauerstoff in Zusammenhang gebrachten Defekte in den beiden Cz-Proben mit geringerer Ionendosis ist im Vergleich mit der Cz-typischen O_i -Kon-zentration zwischen 10¹⁷ und 10¹⁸ cm^-3 gering. Dementsprechend war nach einer Implantation keine Verringerung der O_i-Konzentration mittels FTIR nachzuweisen.

B Leerstellen

Neben der Untersuchung interstitieller Si-Atome wurde zu Beginn der vorliegenden Arbeit von Rein, Diez, Falster und Glunz der Einfluss von Leerstellen auf den Cz-Defekt untersucht [198].

Bei der Untersuchung von Cz-Proben wurden verschiedene definierte Werte der Leerstellen-konzentration [V] mit Hilfe einer speziellen thermischen Prozessführung realisiert [205]. Zur Analyse des Einflusses von Bor, Sauerstoff und Leerstellen auf den Cz-Defekt bzw. die normierte Defektkonzentration Nt*

wurde ein spezieller Probensatz präpariert. Zur Betrachtung des Einflusses von [V] sowie möglicher Wechselwirkungen untereinander ([V]*[B_s] bzw.

[V]*[Oi]) wurden jeweils Proben mit hoher sowie niedriger Konzentration der drei betrachteten Einzelkomponenten untersucht. Die 2³ verschiedenen Parameterkombinationen wurden mittels acht verschiedener Materialien realisiert. Die präparierten Konzentrationen betrugen für [B_s] 5 bzw. 24×10¹⁴ cm^-3, für [Oi] 5,9 bzw. 7,7×10¹⁷ cm^-3 und für [V]<1×10¹¹ bzw. 5×10¹² cm^-3. Das Experiment wurde als 2³-faktorieller Versuchsplan unter Benutzung der kommerziellen Statistik-Software Statistica 5.1 ausgewertet [206]. Somit wird eine Identifikation der einzelnen Faktoren und möglicher gegenseitiger Wechselwirkung in Bezug auf einen Beeinflussung der normierten Defektkonzentration N_t^*, welche die Antwort des Systems darstellt, ermöglicht. Ne-ben einer Beurteilung der Signifikanz der einzelnen Faktoren wird die erwünschte Information hierbei im Rahmen einer geringen Anzahl von Experimenten ermöglicht.

Das Ergebnis der statistischen Untersuchung ist in Abbildung 5.11 in Form eines Pareto-Diagramms der unterschiedlichen Effekte auf Nt*

dargestellt. Die Balken entsprechen der re-sultierenden Einschätzung des Einflusses der kontrollierten Größen sowie deren mögliche Wechselwirkungen untereinander. Die horizontalen Linien geben Siknifikanzlinien entspre-chend den rechts neben dem Diagramm angegebenen Irrtumswahrscheinlichkeiten wieder.

Überschreitet ein Balken eine Siknifikanzlinie, so gilt der Einfluss dieses Faktors als signifi-kant mit der entsprechenden Irrtumswahrscheinlichkeit.

Dem Diagramm lässt sich entnehmen, dass Bor (1), Sauerstoff (2) und deren Wechsel-wirkung (1*2) zu einer Erhöhung von Nt*

führen, wobei sich deren statistische Relevanz in einer Irrtumswahrscheinlichkeit unterhalb von 0,1% widerspiegelt. Es lässt sich kein direkter Einfluss der Leerstellen (3) auf Nt*

erkennen. Für einen indirekten Einfluss der Leerstellen in Form einer Wechselwirkung mit Bor (1*3) beträgt die Irrtumswahrscheinlichkeit 5%. Obwohl

0.00218

7.2E-4

6E-5 5.7E-4

1.9E-4

-1E-5 -4E-5

(1) [Bs]

(2) [Oi]

(3) [V] 1*2

1*3 2*3

1*2*3 0.0000

0.0005 0.0010 0.0015

0.0020 Pareto Chart on N^*

t at _η=0.1

p=0.1%

p=1%

p=5%

p=10%

Estimated Effect on Defect Conc. N* t

Abbildung 5.11. Pareto-Diagramm der Effekte auf die normalisierte Defektkonzentration N_t^*, welches eine Abschätzung des Einflusses der untersuchten Faktoren (Bor-, Sauerstoff- und Leerstellenkonzentration sowie deren Wechselwirkung) zeigt [198]. Die eingetragenen Signifikanzlinien entsprechen den rechts neben dem Diagramm angegebenen Irrtumswahrscheinlichkeiten.

dies statistisch nur als „möglicherweise relevant“ einzustufen ist, würde dies lediglich bedeu-ten, dass der Einfluss von Bor mit Zunahme von [V] ansteigt, da [V] alleine keinen direkten Einfluss auf N_t^* zeigt. Somit sind höchstwahrscheinlich Leerstellen nicht direkt an der Bildung des Cz-Defekts beteiligt und liefern keine Erklärung für die in Ref. [198] beobachtete Streuung der [Oi]-Korrelation.

C Schlussfolgerung

Zusammenfassend lässt sich, zumindest im Rahmen der präparierten Defektkonzentrationen, kein Zusammenhang zwischen einer erhöhten Anzahl intrinsischer Punktdefekte, d.h. inter-stitieller Si-Atome bzw. Leerstellen, und einer erhöhten Konzentration des Bor-Sauerstoff-korrelierten metastabilen Cz-Defekts beobachten. Somit scheint eine Beteiligung von intersti-tiellem Bor am Cz-Defekt, wie beispielsweise im zuvor erwähnten B_iO_i-Modell, sehr un-wahrscheinlich. Die Ursache der Streuung bzgl. der [Oi]-Abhängigkeit der normierten Defekt-konzentration Nt*

in Ref. [198] lässt sich somit nicht auf eine direkte Beteiligung von intrinsi-schen Punktdefekten am Cz-Defekt zurückführen. Möglicherweise könnten Sauerstoff-korre-lierte, thermische Donatoren bei der Erklärung der beobachteten Streuung eine Rolle spielen.

In ihrer Gegenwart wird die mittels Vierspitzenmessung bestimmte Borkonzentration unter-schätzt, was zu einer gewissen Fehlerbehaftung bei der Bestimmung von Nt*

führen kann [192].

Im Dokument Lebensdauerspektroskopie metallischer Defekte in Silicium und Analyse monokristalliner Materialalternativen (Seite 159-164)