Технология полупроводникового кремния - Фалькевич Э.С.
ISBN 5-229-00740-0
Скачать (прямая ссылка):
Такой атом одновременно создает два дефекта - дислоцированный (межузельный, внедренный) атом и вакансию (дырку). Если учесть, что в единице объема находится огромное число атомов, то можно представить себе картину образования такого рода дефектов. В зависимости от температуры и сил связи таких естественных дефектов может быть очень много. И главное заключается в том, что в каждом твердом теле при данцой температуре (см. приведенную ранее формулу Больцмана) имеется вполне определенное количество вакансий и дырок. Это связано с законом, определяющим соотношение между потенциальной энергией взаимодействия и уровнем кинетической энергии поступательного движения.
Другими словами, вакансии и дислоцированные атомы являются термодинамически равновесными типами дефектов и поэтому добиться их получения в количестве меньшем, чем определяется температурой, принципиально невозможно. Соотношение между порядком и
16
беспорядком в системе, состоящей из огромного числа частиц, в дальнейшем будет обосновано достаточно строго (оно является следствием закона сохранения энергии).
Имеющиеся в системе дислоцированные атомы и дырки обладают высокой подвижностью. Первые из-за того, что они связаны меньшим количеством соседей, кроме того, они находятся на таких расстояниях от соседей, которые не обеспечивают наибольшую силу связи. Вторые из-за того, что атомы, находящиеся на границе с дыркой, могут легко оторваться из окружения своих соседей и, заняв дырку, перейти в другое окружение. Дырка при этом не может исчезнуть, она лишь перемещается на одно межатомное расстояние.
Проиллюстрируем описанное цифровыми значениями характеристик точечных дефектов для кремния. Энергия образования и энергия активации (миграции) для вакансий составляет, по разным данным, соответственно 2,5-4,5 и 0,2-1,2 эВ, для межузельного атома 2,59-4,5 и 0,13-0,85 эВ. Из-за довольно низкой величины энергии миграции вакансии обладают высокой подвижностью. Так, в точке плавления коэффициент диффузии для однозарядной вакансии составляет 1,4 • IO*5 и для двухзарядной 4,1 • IO*5 см2/с (эти величины сравнимы с подвижностью атомов примеси в жидкой фазе). Кроме того, подвижность вакансий почти не зависит от температуры. Верхний предел равновесной концентрации вакансий в монокристаллах кремния составляет 9 • IO15, а нижний 2,2 • IO13 см-3. Примерно такие же характеристики присущи и дислоцированным атомам.
Дислоцированный атом и вакансия могут исчезнуть, рекомбинируя при встрече. Ho такая встреча, хоть и вполне вероятна, происходит не чаще, чем образование новой пары дефектов.
Таким образом, реальный кристалл представляет собой динамическую систему колеблющихся атомов и определенного количества внедренных атомов и дырок, которые все время совершают поступательное движение и, как следствие, способствуют перемешиванию всей системы атомов.
Чрезвычайно важным обстоятельством, которое необходимо всегда учитывать при рассмотрении структуры реального кристалла, является наличие в нем атомов примесей. Эти атомы в различной степени взаимодействуют с основными атомами кристалла. От характера сил связи зависит и характер искажений, которые вызывают атомы примесей. От этого зависит также их подвижность и, в конечном итоге, то, как они меняют свойства кристалла.
Количество точечных дефектов в единице объема монокристалла, как уже отмечалось, определяется стремлением всей системы атомов кристалла к достижению минимального значения свободной энергии. При этом главным является то, что более низкой свободной энергией
17
обладает не идеальный кристалл, а кристалл с дефектами, количество которых определяется условиями равновесия - температурой и давлением окружающей среды.
Очень существенными являются процессы, приводящие к отклонению системы от равновесного состояния. Обычно это связано с достижением переохлаждения или перегрева при достаточно больших скоростях охлаждения или нагрева. Именно это приводит к образованию нового типа дефекта, состоящего из комплекса группы вакансий (пор), дислоцированных атомов с атомами примеси, атома примеси и вакансий и т.д. Эти дефекты обычно называют микродефектами (кластерами). Впервые микродефекты в бездислокационных монокристаллах кремния описаны в работах [9, 10]. В работе [11] исследованы основные свойства микродефектов и установлена их взаимосвязь с содержанием примесей в монокристаллах кремния. Результаты анализа и классификация микродефектов приведены в работе Де-Кока [12], где на основе данных о селективном травлении введены представления о двух типах микродефектов в зависимости от их размеров и концентрации. Крупные дефекты, концентрация которых меньше (~ IO6 см-3), были названы А-микродефектами, а мелкие, но более высокой концентрации (— 107— 10е см-3) Б-микродефектами. Оба типа микродефектов имеют слоистое распределение в продольном сечении монокристалла (в виде страт) и спиральное (вихревое) распределение в поперечном сечении. По этой причине микродефекты получили название свирл-дефектов, что отражает не их природу, а характер распределения (рис. 5). Периодичность распределения микродефектов в объеме монокристалла обычно соответствует периоду распределения примесных полос роста, которые в свою очередь отражают форму фронта кристаллизации, связанную с условиями роста монокристалла. Это свидетельствует о гетерогенном характере зарождения микродефектов и его связи с периодическими изменениями скорости роста монокристалла при кристаллизации из расплава.
