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Titelaufnahme

Titel
Electron paramagnetic resonance of process induced defects in silicon / von Bertram Langhanki
AutorLanghanki, Bertram In der Gemeinsamen Normdatei der DNB nachschlagen
Erschienen2001
HochschulschriftPaderborn, Univ., Diss., 2001
SpracheEnglisch
DokumenttypDissertation
URNurn:nbn:de:hbz:466-20010101139 Persistent Identifier (URN)
Dateien
Electron paramagnetic resonance of process induced defects in silicon [3.27 mb]
abstract [20.36 kb]
zusfasng [16.45 kb]
Links
Nachweis
Klassifikation

Deutsch

Für die erst seit wenigen Jahren genutzte Methode des elektrischen Nachweises der elektronenparamagnetischen Resonanz (EDEPR) wurden neue Techniken zur Verbesserung und Erweiterung der Anwendbarkeit entwickelt. Unter anderem wurde EDEPR erstmals bei hohen Mikrowellenfrequenzen (bis 72GHz) erfolgreich eingesetzt und dadurch die spektrale Auflösung des Verfahrens gesteigert. Mit EDEPR wurden (100)-orientierte Silizium-Proben nach Ionen-Implantation untersucht. Vornehmlich in Si/SiO2-Grenzschichten vorkommende Defekte wurden gefunden, die sich durch ungepaarte Bindungs-Elektronen („dangling bonds“) auszeichnen und bislang hauptsächlich in (111)-orientierten Proben mit konventioneller EPR untersucht wurden. Aufgrund der hohen Empfindlichkeit der EDEPR konnte erstmals ein Defekt (genannt Pbb) in einer (100) Si/SiO2 Grenzschicht gefunden werden, der mit konventioneller EPR aufgrund zu geringer Empfindlichkeit nicht detektierbar ist. In der Literatur sind Vermutungen über die Entstehung von „dangling bond“-Defekten in Bereichen deutlich unterhalb der Si/SiO2 Grenzschicht angestellt worden. Mit der Beobachtung eines weiteren, nach Ionen-Implantation in einigen m Tiefe entstehenden Defektes (genannt Pba) kann dieses bestätigt werden. Die Übereinstimmung der g-Tensor-Werte von Pba mit denen des in der Literatur bekannten Pb0-Defektes legen eine Identifizierung mit diesem nahe. Die räumliche Lage des bisher bei Raumtemperatur untersuchten Pb0-Defektes konnte eingegrenzt und über Messung der EDEPR-Winkelabhängigkeit die Defektsymmetrie eindeutig bestimmt werden. Mit den thermisch induzierten flachen Donatoren ( STD ) wurde eine weitere Gruppe technologisch interessanter Silizium-Defekte untersucht. Die Entstehung von STD nach Wasserstoffbehandlung, Elektronenbestrahlung und anschließender Temperung bei (350−550)°C wurde mittels Messung der Infrarot-Absorption (FTIR) beobachtet und die Bedeutung von Wasserstoffbehandlung sowie interstitieller Atome für diese Defekte erarbeitet. Hochfrequenz-EDEPR ermöglichte eine exakte Bestimmung des charakteristischen g-Tensors dieser STD. Mit Elektronen-Kern-Doppelresonanz (ENDOR) konnte die Beteiligung eines Wasserstoffatoms (H) und mit elektronenparamagnetischer Resonanz (EPR) die eines Siliziumatoms an den STD(H) genannten Defekten nachgewiesen werden. Aufgrund der Ergebnisse kann die Defektstruktur der STD(H) mit (C-H)i-2Oi angenommen werden. In dem Model ist ein H-Atom an ein interstitielles Kohlenstoffatom gebunden, das sich in einer Ebene mit zwei interstitiellen Sauerstoffatomen befindet. Neben Proben mit Donatoren mit Wasserstoffbeteiligung (STD(H)) wurden auch solche ohne Dotierung von H und weitere mit Einbau von Aluminium (STD(Al)) untersucht. Ein vereinheitlichendes, strukturelles Modell für die drei bisher bekannten Familien der STD konnte abgeleitet werden. Entscheidendes Merkmal aller drei STD ist der Einbau eines interstitiellen Atoms. Die Ergebnisse der EDEPR Messungen an „dangling-bond“-Defekten sowie an STD wurden genutzt, um Rückschlüsse auf den Mechanismus der Messmethode ziehen zu können. In allen Fällen wird eine Donator-Akzeptor-Rekombination angenommen, die u. a. durch Messung der charakteristischen Mikrowellen-Leistungsabhängigkeit des EDEPR-Signals überprüft wurde. Es wird gezeigt, dass die Beobachtbarkeit von EDEPR-Signalen stark von einer ausreichenden Dichte der Donator-Akzeptor-Paare (DAP) abhängt. Über Implantations- oder Strahlendefekte kann ein Rekombinationspfad erschlossen werden, über den weitere Defekte nachgewiesen werden können, deren DAP-Dichte für eine direkte Detektion nicht ausreichend ist. Es wird gezeigt, dass mit der Bestrahlung (z. B. Elektronen) von Proben die Anwendbarkeit der EDEPR erheblich erweitert werden kann.

English

The simultaneous detection of two dangling bond centres at and below a (100) Si/SiO2 interface is reported for the first time. It is noted that the detected dangling bond centre Pba is very similar to the Pb0 defect reported in the literature. The Pb0 centre is related to implantation damage below the Si/SiO2 interface, leading to dangling bonds within the bulk material. Assuming a positive identification of Pba with Pb0 the result underlines the observation that the Pb0 centre is generated by particle radiation. However, the identification of the Pba centre found here with the known Pb0 centre must remain somewhat uncertain. The more anisotropic Pbb centre can be attributed to dangling bonds at the (100) Si/SiO2 interface, occurring after annealing or low energy particle implantation. The Electrical Detection of Electron-Paramagnetic Resonance ( EDEPR ) signal of the Pbb centre can be increased by annealing in an oxygen containing atmosphere. The Pbb centre has been detected for the first time due to the increased sensitivity and low noise figure of low temperature EDEPR measurements. Angular dependent EDEPR spectra of the dangling bond centres Pba and Pbb have been recorded with improved spectral resolution and signal-to-noise ratio. The calculation of the angular dependence reveals a threefold symmetry of both defects. It can be concluded that the dangling bonds are aligned along a [111] direction in the crystal. The Pba centres are thought to be due to silicon vacancies in the bulk created by radiation damage leaving the [111] dangling bond at one neighbour. The radiation damage is also believed to stabilise the vacancies against diffusion. Shallow thermal donors which were prepared according to a recently developed procedure, comprising hydrogenation and electron-irradiation prior to annealing, were investigated with optical and magnetic resonance spectroscopy. Thus, three species ( D1-D3 ) of these shallow donors can be created selectively by choosing a specific temperature in the range of (300−500)°C for the annealing step. The electronic properties of the Dn were determined by means of Fourier Transform Infrared Absorption ( FTIR ) measurements. Evidence for an identification of D2 and D3 with two species of hydrogenrelated shallow thermal donors ( STD(H) ) reported in the literature was found from the FTIR data. It is shown that the D1 is a precursor or the first species of the STD(H), undiscovered before. EPR studies of the Dn centres revealed an isotropic ( g = 1.9987 ) D1 signal upon rotation of the sample and orthorhombic-I symmetry for D2 centres ( gx,y,z = 1.99952, 1.99722, 1.99982, g = 0.00002 ). The high accuracy of the g-values was obtained from EDEPR spectra recorded with V-band microwaves ( 72GHz ). The g-values of the D2 are very similar to those of the oxygen precipitate NL10 presented in the literature and an identification of the Dn with the early species of the NL10 is suggested. Hyperfine ( hf ) lines of D1 and D2 due to an interaction of the unpaired electron with 29Si nuclei ( nuclear spin I=1/2 ) are observed. From the intensity ratio of the hf lines to the central line (ca. 5%) the incorporation of one silicon atom in the defect structure of the Dn is concluded. Similar hf interactions are observed for NL10 defects with the incorporation of hydrogen, NL10(H), and aluminium, NL10(Al) for the first time. The detection of the individual Dn centres with both methods FTIR and EPR provides a clear link between the STD(H) and the NL10(H) centres, reported in the literature separately from measurements of FTIR and EPR, respectively. From an Electron-Nuclear Double Resonance ( ENDOR ) study of D1 centres prepared with hydrogen ( deuterium ), the incorporation of one hydrogen ( deuterium ) atom in the D1 defect is found. The angular dependence of the ENDOR spectra can be understood assuming a low symmetric ( triclinic ) hf tensor of the hydrogen atom. From the hf interactions observed in ENDOR a very low spin density at the site of the hydrogen is derived. A comparison with published data reveals that with the investigation of the D1 centre the first species of the STD(H) / NL10(H) has been studied for the first time. An atomic model for the STD(H) centre had been presented previously on the basis of theoretical calculations. All experimental findings of this study support the suggested (C-H)i-Sis-O2i structure. Furthermore, as an interstitial site for the Al-atom in NL10(Al) was suggested in a previous study, a similar atomic model with the (C-H)i exchanged by an Ali can be proposed for the NL10(Al). Finally, the results of the EDEPR measurements carried out for this thesis have been summarised. A previously suggested donor-acceptor pair ( DAP ) recombination model for the mechanism of EDEPR was used to explain the recorded spectra. An investigation of the characteristic microwave power dependence of the EDEPR signals and both the sign and the magnitude of the conductivity change support the assumption. Further, indications were searched for to explain an amplification of EDEPR signals after irradiation of silicon samples with electrons. It is concluded that by the creation of the radiation-induced defect SL1, which appears upon illumination of the sample, an efficient recombination channel is provided via the triplet state of the SL1. This recombination channel can be “used” similar to a “shunt” known from Optically Detected Magnetic Resonance by other defects in the sample and their EDEPR signal can be significantly increased. Further it is shown that a variation of the modulation techniques for the detection of EDEPR can improve both the signal-to-noise ratio of the detected signals and the spectral resolution in the case of several overlapping resonance lines. The spectral resolution of EDEPR was further enhanced by the use of high microwave frequencies in a modified high-field spectrometer. EDEPR measurements with frequencies as high as 72GHz are reported for the first time.