Технология полупроводникового кремния - Фалькевич Э.С.
ISBN 5-229-00740-0
Скачать (прямая ссылка):
В работе [13] обнаружены D -микродефекты, характерной особенностью которых является равномерное их распределение в объеме монокристалла (в отличие от микродефектов А - и В-типов). Они имеют гораздо меньший размер, а их концентрация > IO10 см-3 (см. рис. 5).
В условиях равновесия вакансии, дислоцированные и примесные атомы могут встречаться неоднократно в процессе перемешивания. Однако при отклонении от равновесия (при перегреве или переохлаждении) микродефекты являются составной частью метастабильной структуры кристалла. Эти остаточные зафиксированные несовершенства создают новый ‘этап равновесия с повышенной свободной энергией, компенсирующей энергию, связанную с быстрым изменением внешнего воздействия (принцип He Шаіелье- Брауна).
18
Рис. 5. Распределение микродефектов в без дислокационных монокристаллах кремния: а — слоистое А- и В-микродефек-тов в продольном сечении монокристалла, плоскость (112) (видны на коиусе области Л-дефектов и N — дислокационная); б — свирле-вое в поперечном сечении монокристалла, плоскость (111). X 0,8
На первый взгляд кажется, что такие незначительные дефекты, как микродефекты, не могут особенно сильно влиять на свойства кристаллов. В действительности же количество и характер распределения микродефектов разительно влияют на свойства монокристаллов полупроводникового кремния. Точечные дефекты нарушают также строгую систему периодичности электрического поля зарядов.
Как уже указывалось, в кремнии в идеальном состоянии каждый атом связан с соседними парой электронов. Если атомы не возбуждены, электроны находятся на наиболее низких энергетических уровнях. Встреча атома с дыркой может привести к образованию дефекта, который подобен электрическому ДИПОЛЮ. Такой дефект называют экситоном. Электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне ведут себя как инородное | включение с зарядами і е~ и е*. Подвижность этих '
зарядов очень велика, они так же, как и внедренный атом и вакансия, могут релаксировать, но тепловое движение будет рождать новые пары, поэтому при данной температуре будет существовать определенное равновесное количество пар.
В реальном кристалле дефекты электронного строения взаимодействуют с точечными дефектами разного происхождения: вакансиями, дислоцированными атомами и атомами примеси. Именно это взаимодействие часто бывает ответственным за наблюдаемое изменение электрических свойств кремния.
Кроме точечных дефектов, реальный кристалл содержит еще и более протяженные в различных направлениях дефекты. В первую очередь это дефекты линейные. К ним относятся краевые и винтовые дислокации. Краевая дислокация состоит из линии, образованной некоторым локальным сдвигом атомов. Описать дислокацию можно с помощью вектора Бюргерса Ь, циркуляция которого для краевой и винтовой дислокаций показана на рис. 6. В случае краевой дислокации обход по контуру Бюргерса приводит к возвращению в исходную точку, лежащую в той же плоскости при отклонении от нее на величину, соответствующую вектору Бюргерса. В результате получается как Ьы вдвинутая в решетку лишняя полуплоскость. При винтовой дислокации обход по контуру приводит к сдвигу рдоль линии дислокации.
Bi общем случае линия дислокации может быть искривлена и состоять из смешанных краевых и винтовых дислокаций.
Дислокации в той или иной степени содержат скопления добавочной энергии, так как межатомные расстояния в их области не соответствуют минимальной энергии. Из этого следует, что дислокации являются термодинамически неравновесными дефектами и поэтому возможно получение монокристаллов без дислокаций. Дислокации обязательно выходят на поверхность кристалла либо замыкаются на себя, образуя дислокационные петли.
Рис. 6. Схемы краевой (а) и винтовой (б) дислокаций
20
Рис. 7. Ямки травления иа плоскости (111) кремния:
а — дислокационная; б — соответствующая микродефекту. х600 ,
Выход дислокации на поверхность связан с образованием поверхностного дефекта упаковки. Воздействие на поверхность кремния каким-либо растворителем (травителем) приводит к образованию характерных ямок, которые по внешнему виду отличаются от ямок, образующихся (также при травлении) в местах расположения микродефектов. Дислокационные ямки более глубокие, остроконечные и четко огранены (рис. 7) плотно упакованными плоскостями (111).
По расположению ямок травления можно судить о месте выхода дислокаций и их плотности (количество дислокаций на единице поверхности).
В реальных кристаллах структура дислокаций оказывается более сложна. В особенности это относится к алмазоподобным кристаллам, в частности к кремнию. Можно перечислить следующие основные типы дислокаций: полные дислокации, расщепленные и частичные дислокации, а также вершинные дислокации. Полные дислокации целиком окружены совершенным материалом. Кроме искаженного ядра, где заканчивается внедренная полуплоскость, вся остальная часть кристалла остается неискаженной. В винтовой дислокации сопряжение атомов в ядре образует непрерывную спираль с шагом, равным вектору Бюргерса, параллельному оси дислокации. Если дислокация краевая, то нарушение сосредоточено иа краю вставленной полуплоскости. Смещение двух частей кристалла определяется величиной вектора Бюргерса, который направлен перпендикулярно линии сопряжения.
