WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |
Складні системи і процеси № 1- 2, 2004 СКЛАДНІ ФІЗИЧНІ СИСТЕМИ І ПРОЦЕСИ СКЛАДНІ ФІЗИЧНІ СИСТЕМИ І ПРОЦЕСИ УДК 537.311:621.315 УТВОРЕННЯ ТА ВЛАСТИВОСТІ ДИСЛОКАЦІЙ У КРЕМНІЄВИХ АВТОЕПІТАКСІЙНИХ КОМПОЗИЦІЯХ (огляд) Бахрушин В.Є., Ткаченко Р.А.

Гуманітарний університет "Запорізький інститут державного та муніципального управління", вул. Жуковського, 70-б, Запоріжжя, Україна, 69002 Vladimir.Bakhrushin@zhu.edu.ua Вступ До основних типів структурних дефектів кремнієвих епітаксійних композицій відносять дислокації, дефекти пакування, а також східці зсуву (лінії ковзання). Вони можуть істотно впливати на електрофізичні параметри приладів та інтегрованих схем, що виготовлюються на основі таких композицій внаслідок утворення домішкових атмосфер, які змінюють фізичні властивості відповідних областей кристалів. Внаслідок цього зазвичай вважають необхідним обмежувати максимальні допустимі значення щільностей цих дефектів, при цьому вимоги до структурної досконалості композицій підвищуються із зменшенням мінімального розміру активних елементів приладів. Особливо це стосується приладів субмікро- та наноелектроніки. У зв’язку з цим особливої актуальності набуває дослідження механізмів утворення дислокацій та дислокаційних дефектів у кремнієвих автоепітаксійних композиціях, а також їх впливу на електрофізичні властивості цих композицій.

Метою даної роботи був аналіз наявних даних щодо основних параметрів дислокаційних дефектів у кремнії, механізмів їх утворення у процесах формування епітаксійних композицій та впливу на фізичні властивості кремнію.

1. Дислокації у кремнії та кремнієвих автоепітаксійних композиціях За класифікацією Хорнстра [1; 2] у решітці алмазу є можливими такі типи простих дислокацій (табл. 1):

Таблиця 1 Дислокації з вектором Бюргерса 1/2 [110] у решітці типу алмазу [1, 2] Номер Індекс вісі Кут між віссю та Площина ковзання вектором Бюргерса I [110] 0 – II [110] 60о (111) III [110] 90о (100) IV [211] 30о (111) V [211] 90о (111) VI [211] 73о13' (311) VII [211] 54о 44' (110) VIII [100] 90о (110) IXa [100] 45о (100) IXb [100] 45о (100) Складні системи і процеси № 1- 2, Крім зазначених у табл. 1, в алмазній решітці можуть існувати і складніші типи дислокацій. Вони відрізняються одна від одної лінійною щільністю обірваних зв’язків, енергіями активації утворення та міграції подвійних перегинів, складом і степенем насиченості домішкових атмосфер та іншими характеристиками. Тому їх вплив на властивості кристалу також може істотно розрізнятися.

На структурну досконалість епітаксійних композицій істотно впливає якість підготовки підкладок, зокрема глибина порушеного шару на їх поверхні, який при високотемпературних процесах стає джерелом дислокацій, дефектів пакування та інших дефектів структури [3 – 5]. Якщо у підкладці були присутні дислокації, вони проростають у епітаксійний шар. При цьому внаслідок викривлення лінії дислокації значна їх частина не проходить через весь епітаксійний шар. Тому на достатньому віддаленні від межі розділу з підкладкою щільність дислокацій у товстих епітаксійних шарах може бути істотно меншою, ніж у підкладках [6].

Іншим джерелом дислокацій є термопружні напруження і напруження, зумовлені різницею періодів кристалічних решіток підкладки та шару [3; 4]. Створюваний нагрівачем градієнт температури підкладки у напряму нормалі до її поверхні викликає її прогин, який призводить до появи радіального градієнта температури і створення напружень, що перевищують межу плинності [7]. Генерація дислокацій істотно полегшується, якщо вихідна підкладка вже має певний прогин.

Різниця періодів кристалічних решіток підкладки та епітаксійного шару, зумовлена різницею типу та концентрацій домішок, які містяться у них, є причиною утворення дислокацій невідповідності [6]. При вирощуванні епітаксійних плівок, легованих бором або фосфором, на слабколегованих підкладках спостерігається прогин зразків у бік епітаксійного шару, а при уведенні сурми чи олова – у бік підкладки [8]. Дислокації невідповідності, які утворюються при осадженні епітаксійних шарів кремнію на підкладках з орієнтацією {111} є 60-градусними дислокаціями, розташованими у похилих площинах ковзання типу {111} [9, 10]. Часто дислокації невідповідності є напівпетлями, витягнутими у напрямі [110], які не лежать у площині поверхні [9]. Одна частина напівпетлі розташована у безпосередньої близькості до межі розділу підкладки та шару, а інша – знаходиться у підкладці на відстані до 50 – 70 мкм від цієї межі.

За малої товщини епітаксійного шару дислокації невідповідності у ньому можуть не утворюватися. У цьому разі збіжність періодів підкладки та шару забезпечується пружними напруженнями, що призводять до вигину композиції [2]. Критична кривизна, за якої починається утворення дислокацій невідповідності залежить від температури осадження і за даними при [8] приблизно дорівнює 10–3 см–1 для температури 1470 К. Радіус кривизни (R), пов’язаної з різницею періодів решітки та товщинами (tl, ts) підкладки та шару, можна визначити [8] із співвідношення 6t t l s = (1) R (t + t )s l де = a/a – відносна різниця періодів підкладки та шару. Формула (1) є справедливою і у випадку, коли вигин композиції є пружним. Згідно з [11] для кремнієвих композицій ця умова виконується. Критичну товщину епітаксійного шару, з якої починається формування дислокацій невідповідності, можна оцінити [2] із співвідношення hc = a2 / 2a.

(2) Для типових значень параметрів кремнієвих композицій вона не перевищує кількох мікрометрів.

Складні системи і процеси № 1- 2, У певних випадках присутність дислокацій невідповідності дає змогу покращити характеристики готових приладів, наприклад зменшити струми витоку [12]. Але інші параметри при цьому можуть погіршуватися.

Якщо частинки другої фази, що утворюються під час відпалів, мають питомий об’єм, відмінний від питомого об’єму матриці, то при високих температурах може відбуватися порушення когерентності, яке відбувається шляхом пластичної релаксації поля деформацій когерентної частинки з утворенням дислокацій призматичного або гелікоїдального типу [5; 13]. Такими частинками у кремнії є, у першу чергу, преципітати діоксиду та карбіду кремнію. Дислокаційні напівпетлі розташовані у площинах {111}, що утворюють з поверхнею зразка кут 55о або у площинах {110}, ряди петель спрямовані уздовж <110>. Лінія дислокації містить три сегменти, один з яких є 60-градусною дислокацією, паралельною поверхні, а два інші, відповідно, – 60-градусною та гвинтовою дислокаціями. Кожне джерело випускає від однієї до 20 напівпетель, конфігурація яких залежить від його місцезнаходження. Джерела, що знаходяться у центрі, випускають дислокації у площинах ( ) та 111, або 111 та 111, а джерела на краях – 11 1 та 111. Це відповідає ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) радіально симетричному відносно центру пластини розподілу термічних напружень. Підвищенню щільності дислокації в епітаксійному шарі та підкладці сприяє наявність у вихідній підкладці мікродефектів А-типа [14 – 17], а також присутність концентраторів напружень, якими можуть бути дефекти механічної обробки поверхні та включення другої фази, що були у вихідній підкладці або утворилися під час осадження шару.

У [18 – 21] в монокристалах кремнію напівпровідникової чистоти було виявлено структурні перетворення, що відбуваються за механізмом зсуву при температурах 527 – 671, 789 – 1044; 1229 – 1273 та 1310 – 1419 К. Вони призводять до формування метастабільних фаз, об’ємна частка яких становить близько 5 %. Такі структурні переходи можуть стати причиною додаткового дефектоутворення під час охолодження епітаксійних композицій.

Типовий розподіл за щільністю дислокацій в епітаксійному шарі композицій, одержуваних методом водневого відновлення трихлорсилану у реакторах різного розміру [22], наведено на рис. 1. Збільшення об’єму реактора призводить до істотного зсуву розподілу у бік більш низьких значень. Це може бути зумовлено зниженням градієнтів температури на підкладках і, відповідно, механічних напружень, які виникають у них під час осадження епітаксійного шару.

N/N -1000 3000 N d, см Рис. 1. Число композицій з щільністю дислокацій в епітаксійному шарі не більше Nd.

Складні системи і процеси № 1- 2, Низькі щільності дислокацій в епітаксійному шарі можна одержати при його формуванні методами рідкофазної епітаксій. Зокрема, в автоепітаксійних шарах кремнію товщиною 20–30 мкм, осаджених на підкладках КДБ–80 (111) товщиною 380 мкм з розчиніврозплавів на основі олова при температурі 1220 – 1320 К щільність дислокацій знаходиться у межах 10 – 100 см–2 [10]. Основним типом дефектів у таких шарах є 60-градусні дис_ локації, розташовані у похилих площинах ковзання типу {111}. Генерація дислокацій відбувається, головним чином, на периферії. Спостерігається також зародження дислокаційних напівпетель на поверхні росту та поблизу виділень другої фази.

У [23] показано, що формування на поверхні підкладки аморфізованого шару товщиною близько 10 нм шляхом її опромінення іонами аргону з енергією до 30 кеВ дає можливість істотно зменшити щільності дислокацій та дефектів пакування в епітаксійних шарах кремнію, що осаджуються за хлоридною технологією. Це може бути пов’язано із збільшенням кількості зародків кристалізації та зменшенням їх розміру, підвищенням швидкості поверхневої дифузії, що пригнічує преважне зростання окремих зародків, блокуванням проростання окремих дислокацій з підкладки до епітаксійного шару, а також наявних на поверхні скупчень SiC та SiO2.

Поряд з дислокаціями у кристалах та монокристалічних шарах кремнію можуть бути присутніми також дислокаційні петлі та інші дефекти дислокаційного типу. Зокрема, у пластинах, підданих високотемпературному відпалу після опромінення, спостерігаються [24] досконалі призматичні дислокаційні петлі, які розташовані переважно у площинах a {110} і є петлями міжвузловинного типу з вектором Бюргерса, а також петлі b = <110 > Франка, що також є петлями міжвузловинного типу, розташовані у площинах {111} і маa ють вектор Бюргерса. Крім того, спостерігаються крайові дислокації, утвоb = <111 > рені внаслідок взаємодії досконалих призматичних петель.

У двошарових епітаксійних композиціях n+-n-p и n++-n+-n типів основна частина дислокацій має малий кут нахилу до межі розділу, а їх щільність зменшується від значень порядку 104 см–2 поблизу межі з сильно легованою підкладкою до менше, ніж 10 см–2 на відстані 10 – 15 мкм від неї [25]. Для n++-n+-n композицій, усі шари яких було леговано однією й тією самою домішкою (миш'як, фосфор), щільність дислокацій невідповідності є близькою до нуля вже поблизу межі розділу підкладки та нижнього епітаксійного шару.

Існує [22] певна кореляція між розподілами дислокацій і дефектів пакування, пружних напружень та часу життя нерівноважних носіїв заряду за поверхнею епітаксійного шару.

Щільності дефектів та напруження є максимальними, а час життя мінімальним поблизу бічної поверхні композицій. Вигляд цих розподілів може бути зумовлений способом підготовки підкладок, який передбачає виготовлення фаски на її бічній поверхні з метою зменшення імовірності утворення сколів та тріщин під час транспортування, а також запобігання стовщенню фоторезисту та епітаксійного шару поблизу кромки [3]. Але це призводить до формування сильно деформованої області поблизу бічної поверхні підкладок, що, з одного боку, є причиною інтенсивного дефектоутворення при наступних високотемпературних обробках, а з іншого – перешкоджає руху дислокацій до центральної області композиції.

На відміну від металів, напівпровідникам властива різка залежність швидкості руху дислокацій від температури та слабка залежність від напруження зсуву [5]. Це узгоджується з термофлуктуаційною теорією утворення та руху подвійних перегинів на дислокаціях. Встановлено, що енергія активації переміщення дислокацій залежить від зсувного напруження, а відповідна залежність швидкості дислокацій є сильнішою при малих напруженнях, ніж при високих. Дислокації у кремнії є рухливими при температурах понад Складні системи і процеси № 1- 2, 1070 – 1170 К. Тому під час високотемпературних обробок або при охолодженні кристалів після вирощування можливо [26] виникнення субструктур, що складаються з рядів дислокацій, які утворюють малокутові міжзеренні межі з дезорієнтацією зерен від декількох хвилин до декількох градусів. Для більшості кремнієвих приладів наявність таких меж, які є місцем скупчення дислокацій та інших дефектів, вважають неприпустимою.

Напруження Пайєрлса для кремнію є порівняно високим і дорівнює близько 2,7 ГПа. У зв’язку з цим рух дислокацій при більш низьких напруженнях відбувається переважно за механізмом подвійних термічних перегинів [2]. Енергія утворення такого перегину дорівнює 2,1 – 2,3 еВ, а енергія активації його бічного переміщення (бар’єр Пайерлса другого роду) – 0,04 еВ. Для початкових стадій деформації кремнію при осесиметричному згині енергія активації руху дислокацій дорівнює приблизно 1 еВ і у межах похибки збігається з енергією активації міграції східців на 90о та 30о часткових дислокаціях, яка знаходиться у межах 1 – 1,2 еВ [27, 28], а також до енергії активації міграції дивакансій, що дорівнює 1,2 еВ [29]. Енергія утворення поодинокого східця на 90о часткової дислокації за даними [30] дорівнює 0,12 еВ.

Динамічні характеристики дислокацій у монокристалічному кремнії істотно залежать від вмісту домішок, зокрема кисню, а також від попередніх термічних обробок. Так термообробка кристалів, вирощених методом Чохральського, при температурах близько та 920 К призводить до помітного зростання стартових напружень руху дислокацій, які вводяться чотирьохточковим згином, що може бути пов’язано із утворенням кисневих кластерів, які гальмують початок руху, але не виявляють істотного впливу на сталий рух дислокацій [31].

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.