Утворення, трансформація та властивості ростових мікродефектів у напівпровідниковому кремнію

Размещено на http://www.allbest.ru/

Запорізький державний університет

УДК 621.315.592

Спеціальність 01.04.10. - фізика напівпровідників та діелектриків

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Утворення, трансформація та властивості ростових мікродефектів у напівпровідниковому кремнію

Таланін Віталій Ігорович

Запоріжжя - 2001

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано на кафедрі фізичної та біомедичної електроніки Запорізької державної інженерної академії Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник

доктор технічних наук, професор Левінзон Давид Іделевич, Гуманітарний університет "Запорізький інститут державного та муніципального управління", завідувач кафедри фізичної та біомедичної електроніки

Офіційні опоненти:

Доктор фізико-математичних наук, доцент Бахрушин Володимир Євгенійович Гуманітарний університет "Запорізький інститут державного та муніципального управління", завідувач кафедри системного аналізу і вищої математики

Кандидат фізико-математичних наук, доцент Головко Ольга Петрівна, ДП "Графі-Січ" при Запорізькому державному титано-магнієвому комбінаті, науковий консультант

Провідна установа:

Науковий центр "Інститут ядерних досліджень" Національної академії наук України, відділ радіаційної фізики

Захист відбудеться "07" лютого 2002 р. о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 17.051.04 при Запорізькому державному університеті за адресою: 69063, м. Запоріжжя, вул. Жуковського, 66, корпус № 1, ауд. 50.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Запорізького державного університету за адресою: 69063, м. Запоріжжя, вул. Жуковського, 66а, корпус № 2.

Автореферат розісланий "03" січня 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доцент Швець Ю.О.

Анотації

Таланін В.І. Утворення, трансформація і властивості ростових мікродефектів у напівпровідниковому кремнію. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за фахом 01.04.10. - фізика напівпровідників і діелектриків. - Запорізький державний університет, Запоріжжя, 2001.

У дисертації досліджено структуру та електрофізичні властивості об'ємних монокристалів кремнію і кремнієвих композицій. На численному матеріалі з використанням різночасних джерел у роботі розглянуті питання, які присвячені комплексоутворенню точкових дефектів, класифікації та механізмам утворення ростових мікродефектів у бездислокаційних монокристалах кремнію, вирощених методами безтигельної зонної плавки та Чохральского. Проведені комплексні дослідження структурної досконалості кристалів і кремнієвих композицій у залежності від умов їхнього формування. Проведено електрофізичні дослідження отриманих композицій. На підставі експериментальних результатів розроблений узагальнений механізм утворення, росту і трансформації мікродефектів у бездислокаційних монокристалах кремнію.

Ключові слова: монокристал, кремній, точкові дефекти, ростові мікродефекти, електрична активність, приладові композиції, комплексоутворення.

Таланин В.И. Образование, трансформация и свойства ростовых микродефектов в полупроводниковом кремнии. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.10. - физика полупроводников и диэлектриков. - Запорожский государственный университет, Запорожье, 2001.

В диссертации исследованы структура и электрофизические свойства объемных монокристаллов кремния и кремниевых композиций. На обширном материале с использованием разновременных источников в работе рассмотрены вопросы, посвященные комплексообразованию точечных дефектов, классификации и механизмам образования ростовых микродефектов в бездислокационных монокристаллах кремния, выращенных методами бестигельной зонной плавки и Чохральского.

Исследования объемных монокристаллов кремния в зависимости от различных параметров роста (скорости роста, диаметра кристалла, осевого температурного градиента) и различного содержания примесей (кислорода и углерода) показали, что все эти параметры оказывают существенное влияние на процесс дефектообразования.

В зависимости от параметров роста могут быть получены различные картины распределения микродефектов (полосчатое или равномерное), а также различные типы микродефектов (межузельные или вакансионные).

Концентрация микродефектов возрастает при увеличении скорости роста монокристаллов или содержания примесей кислорода и углерода.

Исследования кремниевых приборных композиций показали, что ряд последовательных технологических операций, связанных с термической обработкой исходных монокристаллов кремния, приводит к ряду последовательных изменений (трансформации) исходного дефектного ансамбля.

Таким образом, поскольку термическая обработка приводит к изменению объемного распределения микродефектов, их росту и трансформации одного их вида в другие, то технологические процессы изготовления приборных композиций имеют решающее значение для работы этих композиций.

Исследование влияния микродефектов на электрические свойства кремния и кремниевых композиций показало, что как изменение параметров роста кристаллов, так и технологические процессы изготовления приборов оказывают существенное воздействие на электрическую активность дефектов структуры.

При увеличении скорости роста наблюдается увеличение удельного электрического сопротивления и времени жизни неосновных носителей заряда. Пробивные напряжения силовых диодов и барьеров Шоттки повышаются с увеличением скорости роста кристаллов, используемых при изготовлении этих композиций.

Наличие сосуществования вакансионных и межузельных микродефектов в одних и тех же участках монокристаллов, и приблизительное равенство концентраций вакансионных и собственных межузельных атомов кремния вблизи температуры плавления монокристалла положены в основу разработанного механизма образования микродефектов в полупроводниковом кремнии. Этот механизм оказывается применимым как для монокристаллов, полученных методом бестигельной зонной плавки, так и для монокристаллов, полученных методом Чохральского.

Ключевые слова: монокристалл, кремний, точечные дефекты, ростовые микродефекты, электрическая активность, приборные композиции, комплексообразование.

Talanin V.I. The formation, transformation and properties of grown-in microdefects in semiconducting silicon. - Manuscript.

Thesis for a candidate's degree in physics and mathematics on speciality 01.04.10. - Physics of semiconductors and dielectrics. - Zaporozhye state university, Zaporozhye, 2001.

In a Thesis the structure and physical properties of volumetric monocrystals of silicon and silicon compositions are investigated. On an extensive material with use of different results in Thesis the problems devoted of point defects complexes formation, classification and mechanisms of grown-in microdefects formation in dislocation-free silicon monocrystals grown by floating zone methods and Czochralski methods are considered. The complex researches of crystals and silicon compositions structural perfection depending on conditions of their manufacturing are conducted. The electrophysical researches of obtained compositions are conducted. On a base of experimental results the mechanism of formation, growth and transformation of microdefects in dislocation-free monocrystals of silicon is developed.

Key words: monocrystal, silicon, point defects, grown-in microdefects, the electrical activity, device composition, the complexes formation.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Рівень технології напівпровідникових матеріалів значною мірою визначає розвиток сучасної електронної техніки, домінуючою тенденцією якого є подальше ускладнення і мініатюризація напівпровідникових приладів та мікросхем.

Оскільки напівпровідниковий кремній є й залишається у перспективі головним матеріалом у таких найважливіших галузях електронної промисловості як мікроелектроніка і наноелектроніка, силова напівпровідникова електроніка, функціональна електроніка, оптична та фотоелектроніка тощо, то керування процесами дефектоутворення та отримання кремнію із заданою дефектною структурою висувається до числа найважливіших проблем сучасного електронного матеріалознавства. У кремнієвих кристалах високої чистоти мікродефекти, які утворюються під час росту кристалів, при наступних технологічних впливах збільшуються у розмірі, а також трансформуються у дефекти інших видів, що веде до істотного погіршення надійності та електрофізичних характеристик відповідних пристроїв. Однак до тепер відсутні досить задовільні уявлення щодо механізму дефектоутворення у бездислокаційних монокристалах кремнію, вирощених методами безтигельної зонної плавки і Чохральського. Незважаючи на те, що дослідження ростових мікродефектів почалися ще у 1960-х роках, основні закономірності їхнього утворення та властивості остаточно не встановлені й не систематизовані.

Для вирішення цього завдання необхідно розкрити механізм дефектоутворення у бездислокаційному монокристалічному кремнію, якій отримано різними методами, з урахуванням реальних змін температурних умов росту та подальших термообробок, що є вкрай актуальним як з наукової, так і з практичної точки зору. Всебічне розуміння фізичних аспектів зародження, трансформації мікродефектів та їх впливу на властивості приладів дасть можливість істотно покращити як досконалість напівпровідникового кремнію, так і електрофізичні характеристики приладів та мікросхем, виготовлених на його основі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Напрямок дисертаційної роботи відповідає тематиці держбюджетних науково-дослідних робіт, що виконувалися і продовжуються на кафедрі компонентів і матеріалів електронної техніки Запорізької державної інженерної академії:

1. "Дослідження фізичних властивостей і фазового стану твердотілих кремнієвих структур" (1997-1999 рр., тематичний план Міністерства освіти України, № Державної реєстрації 0198U003041).

2. "Теоретичні і експериментальні дослідження базових напівпровідникових компонентів твердотілої електроніки та мікроелектроніки" (1995-1997 рр., тематичний план Міністерства освіти України, № Державної реєстрації 0195U015527).

3. "Теоретичні основи та експериментальне обгрунтування процесів пороутворення у приладових композиціях твердотілої і біомедичної електроніки" (2000-2002 рр., тематичний план Міністерства освіти і науки України, № Державної реєстрації 0100U004906).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є комплексне експериментальне дослідження механізму утворення, росту і трансформації мікродефектів, а також їхнього впливу на характеристики об'ємних монокристалів кремнію і приладових композицій.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

1. Розробка і удосконалення апаратурно-методичного комплексу контролю структурних (оптична мікроскопія, просвітлююча електронна мікроскопія) і електрофізичних (питомий електричній опір, час життя нерівноважних носіїв заряду, вольтамперні характеристики) параметрів об'ємних кристалів та виготовлених на їх основі приладових композицій.

2. Дослідження процесів дефектоутворення при широкому варіюванні умов вирощування монокристалів та їх параметрів.

3. Дослідження впливу умов виготовлення приладових композицій та імітаційних термічних обробок на утворення, трансформацію й електричну активність мікродефектів.

4. Розкриття й обгрунтування механізму утворення ростових мікродефектів з урахуванням отриманих нових результатів.

Об'єкт дослідження - механізм утворення, трансформації мікродефектів та властивості мікродефектів А-, В- і D-типів у структурно-досконалих монокристалах кремнію.

Предмет дослідження - монокристалічний кремній, вирощений методами безтигельної зонної плавки і Чохральського; спеціально легований кремній; термооброблений та іонно-імплантований кремній; кремнієві приладові композиції.

Методи дослідження:

дослідження структурних дефектів методами селективного травлення і просвітлюючої електронної мікроскопії;

вимірювання електрофізичних параметрів об'ємних монокристалів і електричних характеристик приладових структур.

Наукова новизна отриманих результатів. У ході проведеної роботи отримано нові експериментальні результати, основними з яких є:

1. Виявлення і доведення співіснування мікродефектів вакансійного і міжвузольного типів у монокристалах кремнію, отриманих методом Чохральського при високих швидкостях росту (V > 2,5 мм/хв для кристалів діаметром 50 мм).

2. Експериментальне підтвердження того, що фонові домішки кисню та вуглецю є центрами зародження мікродефектів, а також беруть участь у процесах їх подальшого росту і трансформації.

3. Експериментальне підтвердження й обгрунтування того, що при високих температурах (поблизу точки плавлення) швидкість рекомбінації власних точкових дефектів лімітована і зведена до мінімуму внаслідок наявності рекомбінаційного бар'єра, і існує приблизна рівність концентрацій вакансій і власних міжвузольних атомів кремнію поблизу фронту кристалізації.

4. Обгрунтування і доведення того, що розпад пересиченого розчину власних точкових дефектів, у ході якого відбувається утворення мікродефектів, протікає за участю домішок кисню та вуглецю водночас по двох механізмах: вакансійному і міжвузольному з подальшою трансформацією міжвузольних мікродефектів за схемою: D ® В ® А-мікродефекти.

5. Обгрунтування і доведення того, що утворення і трансформація мікродефектів відбувається згідно з гетерогенним домішково-вакансійно-міжвузольним механізмом.

Обгрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій. Достовірність і обгрунтованість викладених у дисертаційній роботі наукових положень, результатів експериментальних досліджень і зроблених висновків базується на коректній і реальній постановці задач, застосуванні сучасних і метрологічно обгрунтованих фізичних методів дослідження, а також підтверджується задовільним рівнем узгодження зроблених оцінок з власними моделями і з опублікованими теоретичними й експериментальними даними інших дослідників.

Практичне значення отриманих результатів. Встановлено характер і закономірності зв'язків між умовами утворення мікродефектів і відповідними технологічними параметрами (швидкість росту й охолодження кристала, осьовий температурний градієнт), що дозволяє рекомендувати отримані результати до використання у виробництві напівпровідникового кремнію. Деякі з цих рекомендацій можуть бути використані на Запорізькому титано-магнієвому комбінаті при випуску напівпровідникового кремнію з високою структурною досконалістю для мікроелектроніки і силової напівпровідникової техніки.

Особистий внесок здобувача. Автор брав безпосередню участь у постановці задач і визначенні методів їх вирішення, особисто спланував і здійснив основний обсяг експериментів і вимірювань [1-4, 7], розв'язав комплекс завдань з методологічного, апаратурного забезпечення роботи і підготовки досліджуваних зразків [5, 6], виконав статистичну обробку результатів досліджень, дав їм коректну інтерпретацію [8, 9]. Йому належить провідна роль у підготовці наукових публікацій, що покладені в основу дисертаційної роботи і визначають її наукову новизну [1-9].

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи доповідались і обговорювались на таких науково-технічних конференціях і семінарах:

Міжнародній науково-технічній конференції "Центры с глубокими уровнями в полупроводниках и полупроводниковых структурах" (м. Ульянівськ, Росія, 1997 р.);

Другій міжнародній конференції "Рост монокристаллов и тепломассоперенос" (м. Обнинськ, Росія, 1997 р.);

Другій міжнародній конференції "Проблемы и прикладные вопросы физики" (м. Саранськ, Росія, 1999 р.);

Першому IEEE-Російському симпозіумі з електронних приладів і матеріалів (м. Новосибірськ, Росія, 2000 р.);

Дев'ятій національній конференції з росту кристалів (м. Москва, Росія, 2000 р.);

Двадцять першій міжнародній конференції з дефектів у напівпровідниках (м. Гессен, Німеччина, 2001 р.);

Тринадцятій міжнародній конференції з росту кристалів (м. Кіото, Японія, 2001 р.);

Четвертій міжнародній конференції "Рост монокристаллов и тепломассоперенос" (м. Обнинськ, Росія, 2001 р.).

Основні положення роботи систематично доповідались і обговорювались на засіданнях та наукових семінарах кафедри компонентів і матеріалів електронної техніки Запорізької державної академії.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 9 друкованих робіт, у тому числі 7 статей у наукових журналах України й інших країн, перелік яких затверджено ВАК України.

Структура і об'єм дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, переліку використаних джерел. Повний обсяг дисертації становить 202 сторінки, вміщує 46 рисунків і 11 таблиць. Перелік використаних джерел складається із 280 найменувань.

Основний зміст роботи

У вступі обгрунтовано актуальність теми, її зв'язок з науково-дослідними програмами, сформульовано мету і задачі роботи, визначено її наукову новизну, практичну цінність і надано результати її апробації.

У першому розділі проведено літературний огляд за темою дисертації. Розглянуто класифікацію мікродефектів у бездислокаційних монокристаллах кремнію, отриманих методами бестигельной зонної плавки і Чохральського.

Проведено аналіз робіт, що описують механізми виникнення і властивості ростових мікродефектів у кремнії. У загальному вигляді наведені дані робіт різних дослідників, в яких висвітлюється поведінка кисню і вуглецю у кремнії, і обгрунтовуються механізми їх впливу на процес зародження мікродефектів, а також на характер їх розподілу.

Критично розглянуто роботи, в яких аналізується виникнення різних типів мікродефектів у залежності від швидкості вирощування монокристалів кремнію.

Проведено змістовний розгляд основних моделей дефектоутворення у напівпровідниковому кремнію - рівноважної і нерівноважної міжвузольних моделей, краплинної, вакансійної, вакансійно-міжвузольної і рекомбінаційно-дифузійної моделей - у ході якого показано, що жодна з цих моделей не пояснює задовільним чином весь комплекс процесів, які відбуваються при зародженні і подальших перетвореннях мікродефектів.

У другому розділі описано основні експериментальні методики і обладнання, які використовані в роботі. Основними методами дослідження є: селективне травлення кремнію, оптична і просвітлююча електронна мікроскопія, стандартне устаткування для вимірювання електрофізичних характеристик і електричних параметрів кристалів і приладових композицій.

Монокристали кремнію вирощувалися на установках "Кристал-109" (метод безтигельної зонної плавки) і "Редмет-30" (метод Чохральського). Усі монокристали були вирощені на Запорізькому титано-магнієвому комбінаті. Термічна обробка кристалів проводилася або безпосередньо в ростових камерах відповідних установок, або в електропечі типу СУОЛ.

Структури на основі цих монокристалів виготовлялися на установках УНЭС-2ПК-А (епітаксійні структури), типу "Везувій" (іонно-імплантовані структури), УВН-83ПІМ (бар'єри Шотткі). Силові діоди виготовлялися за стандартною технологією серійного приладу Д 112. Приладові структури були виготовлені на Запорізькому ВО "Перетворювач". Іонно-імплантований кремній був отриманий на Запорізькому ВО "Гама".

Вивчення структури зразків кремнію виконувалося за допомогою оптичного мікроскопу МІМ-7 та електронних мікроскопів JEM-7А и ПРЕМ-200 з прискорюючою напругою до 100 кВ. Зразки для металографічного аналізу готувалися за спеціально розробленою методикою з використанням модифікованого травника Сіртла. Зразки для електронно-мікроскопічного аналізу готувалися за методикою хіміко-динамічного травлення.

У третьому розділі наведено експериментальні результати дослідження структурної досконалості об'ємних монокристалів кремнію.

Для вивчення впливу на структуру монокристалів режимів загартування використовувалися кристали діаметром 30 мм, отримані методом безтигельної зонної плавки при швидкостях росту V = 2,0; 3,0; 6,0; 9,0 мм/хв. Дані металографічних і електронно-мікроскопічних досліджень свідчать про те, що мікродефекти D-типу в кристалах, вирощених при високих швидкостях росту, утворюються раніше, ніж В-мікродефекти, що у свою чергу утворюються при менших швидкостях. Встановлено також, що А-мікродефекти з'являються при швидкостях, менших ніж швидкості, при яких спостерігаються В-мікродефекти.

Загартування кристалів, вирощених при V = 6 мм/хв, призводить до утворення так званої "бездефектної" області між фронтом кристалізації й областю з D-мікродефектами. Електронно-мікроскопічні дослідження показали, що в "бездефектній" області містяться як міжвузольні, так і вакансійні дефекти розмірами 2…7 нм у концентрації ~ 4,5Ч 1013 см-3. У кристалах, вирощених при V = 9 мм/хв, після їхнього загартування виявлено міжвузольні і вакансійні мікродефекти приблизно в рівних концентраціях.

Вивчення впливу різних параметрів росту кристалів, а також домішок кисню і вуглецю на процес утворення і трансформації мікродефектів здійснювали на кремнієвих кристалах, отриманих як методом безтигельної зонної плавки, так і методом Чохральського. З метою зменшення осьового температурного градієнту і відповідного збільшення фактичної швидкості росту методом безтигельной зонної плавки вирощено кристал при V = 4 мм/хв з одночасним підігрівом зростаючої частини додатковим індуктором. Після цієї процедури селективним травленням було виявлено "бездефектний" "канал", у якому електронно-мікроскопічні дослідження показали наявність вакансійних і міжвузольних мікродефектів. Після розрізу кристала уздовж площини (112) одна з частин піддавалася термообробці при 1473 К протягом 20 хв, що призвело до розриву "каналу" і появи в місці розриву смуг В-мікродефектів. Легування іншої частини кристала з "каналом" киснем з газової фази призвело до зростання концентрації В-мікродефектів і появи D-мікродефектів. електрофізичний кремній монокристал

У кристалах, вирощених в умовах ступінчастої зміни швидкості росту від 3 до 0,5 мм/хв із кроком 0,5 мм/хв, виявлено появу з кожним кроком "хмаринок" В-мікродефектів, обумовлених наявністю вуглецю.

Вирощування кристалів з постійною швидкістю росту V = 3 мм/хв, але зі зміною діаметра (від 30 до 15 і від 50 до 25 мм на початку і в кінці процесу відповідно) веде до поступового зникнення мікродефектів при зменшенні діаметру.

Додаткову інформацію про природу і властивості мікродефектів отримано при дослідженні кристалів, вирощених з поступовою зміною швидкості росту V = 5,0; 6,0; 7,0; 7,5 мм/хв. У ділянках кристалів, вирощених при V = 5...6 мм/хв, у центрі спостерігається розподіл D-мікродефектів у вигляді "каналу". У ділянках кристалів, вирощених при V = 7,0 і 7,5 мм/хв, "канал" розходиться в "кільце" через утворення в його центрі "бездефектної" області. "Кільце" при V = 8...9 мм/хв зникає. Електронно-мікроскопічні дослідження показали наявність у "каналі" міжвузольних мікродефектів розмірами 5...8 нм у концентрації ~ 1013 см-3. Аналогічні результати були отримані при вивченні дефектів у "кільці". Встановлено, що в "бездефектній" області усередині "кільця" одночасно присутні мікродефекти міжвузольного і вакансійного типів.

При вивченні кристалів кремнію, вирощених методом Чохральського (діаметром 50 мм, зміна швидкості росту від 0,5 до 3 мм/хв), виявлено, що характер розподілу мікродефектів змінюється від шаруватого при V = 0,5...2 мм/хв до рівномірного при V > 2 мм/хв. У кристалах більшого діаметра (80 мм) рівномірно розподілених мікродефектів не спостерігалося.

При підвищенні швидкості росту кристала діаметром 50 мм спостерігається утворення "кільця" рівномірно розподілених мікродефектів, що оточує "бездефектну" область. Електронно-мікроскопічні дослідження виявляють як у "кільці", так і в "бездефектній" області дефекти розмірами 4...12 нм у концентрації ~ 1013…1014 см-3. У "кільці" було знайдено дефекти тільки міжвузольного, а в "бездефектній" області - вакансійного і міжвузольного типів. З підвищенням швидкості росту кристала до 3 мм/хв "кільце" зникало.

Для з'ясування ролі вуглецю в процесі дефектоутворення за спеціальною програмою методом Чохральського вирощено кристали при зміні швидкості росту від 1,8 до 0,8 мм/хв діаметром 80 мм. Розподіл концентрації вуглецю і мікродефектів уздовж осі кристала, отриманий з даних ІЧ-спектроскопії, свідчить про те, що при збільшенні концентрації вуглецю понад 5Ч 1016 см-3 концентрація мікродефектів також зростає. При концентрації вуглецю, що менше за цю величину, каталітична роль в утворенні мікродефектів належить кисню.

Вивчення електричної активності мікродефектів проводилося шляхом вимірювання часу життя нерівноважних носіїв заряду і питомого електричного опору кремнієвих кристалів. Знайдено, що при підвищенні швидкості росту питомий електричний опір і час життя зростають, а в кристалі, вирощеному при V = 7,5 мм/хв, спостерігається зниження питомого опору.

На підставі отриманих експериментальних результатів можна стверджувати, що при збільшенні швидкості росту кремнієвих кристалів відбувається трансформація міжвузольних мікродефектів від великих А- до дрібних D-мікродефектів. Попередниками міжвузольних D-мікродефектів є мікродефекти міжвузольного і вакансійного типів, що присутні водночас в тих самих ділянках кристала. Цей процес пов'язаний зі зміною теплових умов росту і впливом домішок кисню і вуглецю.

Четвертий розділ містить результати вивчення структурної досконалості кремнієвих приладових композицій і механізмів трансформації ростових мікродефектів при різних високотемпературних обробках.

Для виготовлення підкладок кремнієвих епітаксійних структур використовувалися кристали, отримані методом безтигельної зонної плавки, які вирощували зі швидкостями росту V = 2,0; 3,0; 6,0; 8,0 мм/хв. Підкладки товщиною 400 мкм піддавали термічній обробці в атмосфері водню при 1453 К протягом трьох годин. В окремому процесі на цих підкладках формувалися кремнієві обернені епітаксійні структури на промисловій установці УНЭС-2ПК-А за температури осадження 1433…1463 К.

Вихідні підкладки в залежності від швидкості росту кристалів містили міжвузольні (V < 6 мм/хв) і міжвузольні + вакансійні (V > 6 мм/хв) мікродефекти. Наведені результати свідчать про те, що термічний вплив на кремнієві підкладки призводить до збільшення мікродефектів, що містяться в них, у розмірах і до збільшення їхньої концентрації. У робочих шарах епітаксійних структур густина дефектів збільшується в 1,5...4 рази у порівнянні з термообробленими підкладками. Як у процесі епітаксійного нарощування, так і в процесі термічної імітації в центрі пластин утворюються 60-градусні дислокації з вектором Бюргерсу , що залягають у площинах {111}.

Оскільки процеси трансформації мікродефектів повинні мати місце в ході складних температурних обробок, що супроводжують виготовлення різноманітних приладів, нами було здійснено експерименти з термічної обробки кристалів, що імітує теплові режими створення приладових композицій. Для цієї мети методом безтигельної зонної плавки у вакуумі вирощено нелегований кристал при V = 6 мм/хв із зупинкою росту протягом 60 хв, в якому виявлено наявність мікродефектів усіх відомих видів (А, В, D). Ще один кристал, вирощений при V = 6 мм/хв, розрізався на кілька частин, які потім піддавали термообробці у вакуумі при різних температурах: 1073, 1173, 1273 і 1373 К.

У кристалі, якій піддавали термообробці при 1073 К, спостерігається перерозподіл дефектів і збільшення їхніх розмірів. Термообробка при 1173 К спричиняє збільшення розмірів D-мікродефектів до 10...12 нм. При більш високих температурах обробки (1373 К) поряд з D-дефектами спостерігалися дефекти типу розеток із сильним деформаційним контрастом розмірами 50…100 нм.

Було досліджено кристали, вирощені з різними швидкостями росту (2,0; 3,0; 6,0; 8,0 мм/хв), які піддавали термообробці протягом трьох годин при температурі 1373 К в атмосфері водню. У цих кристалах електронно-мікроскопічні дослідження перед термообробкою виявляють дефекти як міжвузольного типу (при V = 6 мм/хв), так і спільно існуючі міжвузольні і вакансійні (при V > 6 мм/хв) дефекти, а після термообробки - скрізь дефекти чорно-білого контрасту зображення в чисто динамічних умовах. У порівнянні з ростовими D-мікродефектами розміри навіть найдрібніших дефектів у термооброблених кристалах більші і досягають значень 12...15 нм. Однак їх умовно можна назвати "дрібними" мікродефектами, оскільки існують і "великі" мікродефекти із сильним деформаційним контрастом, у вигляді розеток чи дефектів більш складної форми розмірами до 300…700 нм. Кристали, вирощені при V Ј 3 мм/хв, містили дислокації з вектором Бюргерсу , що залягають у площинах

Таким чином, термообробка веде не тільки до збільшення розмірів і концентрації існуючих у кристалі дефектів, але й до появи нових дефектів. Трансформація міжвузольних мікродефектів відбувається за схемою: D-мікродефекти ® В-мікродефекти ® А-мікродефекти. Проведений нами аналіз чорно-білого контрасту електронно-мікроскопічного зображення D-мікродефектів показав, що вони, як попередники В-мікродефектів, існують у двох видах: у виді плоских скупчень точкових дефектів у площинах {100} і малих дислокаційних петель у площинах {111}. Ріст плоских скупчень у площинах {100} веде до призматичного видавлювання дислокаційних петель у площинах {110}.

Результати, які отримано при термічній обробці кристалів, вирощених методом Чохральського, й їхня інтерпретація, аналогічні вищеописаним. Після термообробки концентрація і розміри мікродефектів зростають. Це видно з досліджень кристала діаметром 50 мм, вирощеного при V = 2,5 мм/хв і підданого термообробці при 1373 К протягом 10 годин. Після селективного травлення виявляється характерне "кільце" дефектів у поперечному перетині. За допомогою просвітлюючої електронної мікроскопії в області "кільця" виявлені мікродефекти міжвузольного типу деформації чорно-білого контрасту зображення з розмірами 10...20 нм і дефекти складної форми з сильним деформаційним контрастом розмірами 300...600 нм. У "бездефектній" області усередині "кільця" були також виявлено дефекти складної форми розмірами 700...900 нм. Такі дефекти можуть бути джерелами дислокаційних петель.

Для вивчення механізмів трансформації мікродефектів при іонній імплантації як вихідні використовували кристали діаметром 50 мм, вирощені методом Чохральського при V = 0,5; 1,0; 2,5 мм/хв. У підкладки, отримані при V = 0,5 і 2,5 мм/хв, імплантовувались іони миш'яку (енергія 65 кеВ, доза ~ 3,7Ч 1015 см-2). Потім одна частина підкладок не піддавалася відпалу, а інша - проходила процес технологічного відпалу протягом 5 годин при температурах 923 і 1123 К. В усіх підкладках (V = 0,5 мм/хв) як без відпалу, так і після відпалу виявлено мікродефекти розмірами 4…20 нм, а також преципітати і дислокаційні петлі, розміри і концентрація яких різна після різних температур відпалу. У підкладках без відпалу розмір преципітатів складав 30…100 нм, а петель - 30…150 нм. Після відпалу при 923 К розмір преципітатів не змінювався, а розмір петель склав 20...40 нм. При цьому було виявлено прямі відрізки дислокацій і виділення гексагональної форми розмірами від 160ґ80 до 600ґ240 нм. Після відпалу при 1123 К розмір преципітатів збільшується до 130 нм, а дислокаційних петель - до 100 нм. Об'ємна концентрація мікродефектів у підкладках без відпалу склала ~ 5Ч 108…109 см-3, преципітатів ~ 3Ч 108…109 см-3, дислокаційних петель ~ 4Ч 108…109 см-3. При імплантації підкладок (V = 1 мм/хв) іонами сурми (енергія 65 кеВ, доза ~ 3Ч 1015 см-2) було отримано аналогічні результати.

У підкладках, виготовлених із кристалів, що вирощували при V = 2,5 мм/хв, розміри всіх дефектів були приблизно вдвічі менші, концентрації преципітатів і дислокаційних петель - менші майже на порядок, а мікродефектів - більші майже на порядок. Після відпалу при 923 К концентрація всіх дефектів у зразках, отриманих при V = 2,5 мм/хв, менша на 1...2 порядки, а в зразках, отриманих при V = 0,5 і 1,0 мм/хв, більша на 1...2 порядки. Усі виявлені дефекти були дефектами з міжвузольним типом деформації.

В усіх випадках преципітати мали правильну (ромби, квадрати, прямокутники) чи пластинчасту форму. Схожу геометрію мали дефекти в кристалах, яких було піддано імітаційним термообробкам.

Отже, у процесі іонної імплантації й наступних відпалів відбувається ріст і трансформація ростових мікродефектів, що супроводжуються розпадом пересиченого розчину кремній-домішка. Трансформація структурних недосконалостей відбувається за схемою: ростові мікродефекти + точкові дефекти ® дислокаційні петлі + преципітати ® пластинчасті виділення + дислокації.

Електрична активність мікродефектів вивчалася шляхом виміру вольтамперних характеристик бар'єрів Шотткі, сформованих на зразках кремнію із монокристалів діаметром 50 мм, які було вирощено методом Чохральського при V = 0,5; 1,0; 2,5 мм/хв. Встановлено, що величини пробивних напруг підвищуються для зразків, виготовлених на кремнії, який отримано при V = 2,5 мм/хв. У вихідному стані цей кристал містив ростові мікродефекти міжвузольного і вакансійного типів. Вивчався також вплив мікродефектів на електричні характеристики силових діодів. Для створення діодів використовувався кремній, одержаний методом безтигельної зонної плавки при різних швидкостях росту V = 2,0; 4,0 і 6,0 мм/хв. Переважну кількість діодів вищих класів отримано на кремнії, вирощеному з високими швидкостями росту, що свідчить про знижену рекомбінаційну активність мікродефектів D-типу, які містяться в цих зразках.

Таким чином, встановлено залежність типу і розподілу мікродефектів від швидкості росту кристала, а також тотожність процесів утворення, росту і трансформації мікродефектів як у кристалах, отриманих методом безтигельної зонної плавки, так і в кристалах, отриманих методом Чохральського.

П'ятий розділ присвячено аналізу механізму утворення мікродефектів у бездислокаційних монокристалах кремнію, вирощених методами безтигельної зонної плавки і Чохральського, що враховує вищевикладені результати.

Проведений нами аналіз відомих літературних даних і поставлені в дисертаційній роботі експерименти свідчать про значну роль як власних міжвузольних атомів кремнію, так і вакансій у рівноважних умовах при температурах, близьких до температури плавлення. Таким чином, задовільне узгодження термодинамічних розрахунків з отриманими нами експериментальними результатами досягається тільки в рамках моделі, що припускає співіснування власних міжвузольних атомів і вакансій у кремнії при високих температурах.

За допомогою методу просвітлюючої електронної мікроскопії підтверджено одночасне існування вакансійних і міжвузольних мікродефектів у кремнії, вирощеному з підвищеними швидкостями росту (V > 6 мм/хв, для кристалів діаметром 30 мм, які отримано методом безтигельної зонної плавки і V > 2,5 мм/хв, для кристалів діаметром 50 мм, які отримано методом Чохральського). При цьому відношення вакансійних і міжвузольних мікродефектів у зразках безтигельного кремнію, вирощених при V = 7,5 мм/хв, оцінюється як 1 : 4, а в зразках, вирощених при V = 9 мм/хв, міжвузольні і вакансійні мікродефекти співіснують приблизно у рівних концентраціях, тобто ~ 1 : 1. Таким чином, критична швидкість росту, при якій з'являються вакансійні мікродефекти, знаходиться для безтигельних кристалів діаметром 30 мм в інтервалі 6 мм/хв < V < 6,5 мм/хв.

Приблизна рівність концентрацій міжвузольних і вакансійних мікродефектів свідчить про ідентичне співвідношення концентрацій вакансій і власних міжвузольних атомів. Рекомбінації власних точкових дефектів перешкоджає ентропійний бар'єр. При високих температурах власні міжвузольні атоми і вакансії "розтягнуто" на кілька атомних об'ємів. При низьких температурах власні точкові дефекти мають точкоподібну гантелевидну конфігурацію. Тому бар'єр існує при високих температурах і знижується при зменшенні температури. Величину бар'єру можна оцінити з формули:

,

де - ентальпія утворення вакансій і власних міжвузольних атомів; Т - температура; - ентропія.

Наші розрахунки дозволили визначити такі параметри: величину бар'єру при температурі плавлення - 1,674 еВ; час, протягом якого повинний відбуватися процес рекомбінації вакансій і власних міжвузольних атомів кремнію - 53 хв; відстань від фронту кристалізації, на якому могла б відбутися рекомбінація - 6,25 мм.

Таким чином, отримані нами експериментальні результати, що якнайкраще відповідають теоретичним даним, дозволяють стверджувати, що при температурах, близьких до температури плавлення, у бездислокаційних монокристалах кремнію водночас існують рівноважні концентрації вакансій і власних міжвузольних атомів. Рекомбінація власних точкових дефектів утруднена внаслідок великого ентропійного бар'єру. Виходячи з цього, нами показано, що розпад пересиченого твердого розчину власних точкових дефектів повинний відбуватися одночасно за двома механізмами: вакансійним і міжвузольним. Ці механізми відповідають приведеним нижче рівнянням.

Для вакансійного механізму:

1) nOi + VSi ® n(VO2) ® вакансійні мікродефекти.

2) n(VO2) + Oi +...+ nOi ® n[(VnOn) + ISi] ® D-мікродефекти.

Для міжвузольного механізму:

1) Сs + ISi ® (CsISi) ® D-мікродефекти.

2) (CsISi) + Oi ® n[(CsISi) + Oi] ® B-мікродефекти.

3) B-мікродефекти + ISi ® A-мікродефекти.

При вакансійному механізмі вакансійно-домішкова агрегація веде до утворення мікропреципітатів кисню, яке в свою чергу створює надлишок об'єму матриці, і на кожні два атоми кисню поглинається одна вакансія. Агрегація супроводжується емісією власних міжвузольних атомів. Поглинання вакансій і домішки зростаючими мікродефектами викликає зниження концентрації вакансій у порівнянні з концентрацією кисню. У результаті преципітати додатково поглинають кисень без участі вакансій, вони збільшуються за розмірами, а деформація навколо них змінюється з вакансійної на міжвузольну. Параметр

Ccrit = V/G

(де V - швидкість росту кристала, G - осьовий температурний градієнт) описує умови зникнення (появи) вакансійних мікродефектів.

При міжвузольному механізмі каталітичну роль грають атоми вуглецю, що веде до утворення агломератів власних міжвузольних атомів кремнію й атомів вуглецю. Ріст міжвузольних мікродефектів приводить до зменшення концентрації власних міжвузольних атомів, що створює умови для преципітації домішки. Утворення часток домішкової фази супроводжується емісією власних міжвузольних атомів.

Обидва механізми (вакансійний і міжвузольний) у підсумку викликають утворення двох типів міжвузольних мікродефектів: міжвузольних агломератів (стоків для міжвузольних атомів кремнію) і домішкових преципітатів (джерел цих атомів). Ці мікродефекти є рівномірно розподіленими малими В-мікродефектами, що потім трансформуються в А-мікродефекти.

Запропонований механізм зародження, росту і трансформації мікродефектів у напівпровідниковому кремнію справедливий як для кристалів, вирощених методом безтигельної зонної плавки, так і для кристалів, вирощених методом Чохральського. Ідентичність процесів дефектоутворення в обох типах кристалів підтверджується тотожними результатами проведених у цій роботі експериментальних досліджень. Процеси зародження і росту мікродефектів визначаються умовами вирощування (швидкістю росту кристала і швидкістю його охолодження, температурними градієнтами у кристалі). Розходження в характері розподілу - шарувате чи рівномірне (хаотичне) - пояснюється впливом явища оплавлення (remelting). Під час росту монокристалів кремнію відбувається їхнє локальне розплавлення, обумовлене нестабільністю температури внаслідок теплової конвекції. Якщо цьому явищу не можна запобігти, в кристалі виникає шаруватий (свірльовий) розподіл дефектів і шаруватий розподіл домішок. Якщо ж швидкість росту в методі Чохральського збільшити до значення 2,7 мм/хв, то явища оплавлення можна уникнути, і шаруватий розподіл дефектів переходить у рівномірний, але шаруватий розподіл домішок зберігається.

Дійсно, проведені нами експерименті дозволяють спостерігати рівномірний розподіл дефектів в усьому об'ємі тільки в кристалах діаметром 50 мм. У кристалах діаметром понад 80 мм такого розподіу не спостерігається. Наші дослідження дефектоутворення в кристалах кремнію діаметром 30 мм, вирощених методом безтигельної зонної плавки, і діаметром 50 мм, вирощених методом Чохральського, дозволяють висловити такі подальші міркування.

При поступовому збільшенні швидкості росту в кристалах, що вирощуються методом безтигельної зонної плавки, відбувається послідовна трансформація одного виду мікродефектів в інші. Великі свірли А-мікродефектів змінюються меншими свірлами В-мікродефектів. Починаючи з певної швидкості Vr (швидкість, при якій запобігається явище оплавлення), В-мікродефекти змінюються рівномірно розподіленими D-мікродефектами. Уточнене значення швидкості Vr визначається нами для безтигельних кристалів величиною ~ 4,5 мм/хв. Наші результати показали, що за швидкостей, які перевищують певну критичну величину Vcrit, у кристалах починають виявлятися мікродефекти вакансійного типу, у той час як для V < Vcrit мають місце тільки міжвузольні мікродефекти. При V > Vr міжвузольні D-мікродефекти зазвичай сходяться в "канал", який потім при V і Vcrit починає розходитися до периферії кристала. Ймовірніше за все, цей процес обумовлений тим, що величина осьового температурного градієнту у центрі кристала менша, ніж на периферії кристала. При подальшому підвищенні швидкості росту кристала розмір "кільця" зменшується, і при V ~ 8...9 мм/хв "кільце" міжвузольних мікродефектів зникає, а в усьому об'ємі кристала спостерігається співіснування мікродефектів вакансійного і міжвузольного типів у приблизно рівних концентраціях. Таким чином, з підвищенням швидкості росту кристала відбувається постійна трансформація міжвузольних мікродефектів. За швидкостей понад Vcrit = 6...6,5 мм/хв з'являються вакансійні мікродефекти, концентрація яких росте до значення V ~ 9 мм/хв, при якому обидві концентрації практично зрівнюються.

При вирощуванні кристалів методом Чохральського діаметром 50 мм значення швидкості росту зміщуються у бік зменшення. Рівномірний розподіл мікродефектів характерний для 1,5 мм/хв < V < 2 мм/хв. Однак міжвузольні А- і В-свірли зустрічаються тільки при V < Vcrit, де Vcrit визначається як швидкість, для якої характерні вакансійні мікродефекти. Згідно з нашими оцінками для кристалів діаметром 50 мм ця швидкість буде знаходитися в межах 0,8...1,2 мм/хв.

Приведені експериментальні результати свідчать про те, що дефекти, які спостерігаються у "вакансійному" режимі (при V > Vcrit) в області "кільця", є міжвузольними дефектами. Однак ця область, згідно з нашими уявленнями, повинна містити дефекти вакансійного і міжвузольного типів. Проблема полягає в тому, що вміст домішок кисню і вуглецю в кристалах, отриманих методом Чохральського, на один-два порядки вищий, ніж у кристалах, отриманих методом безтигельної зонної плавки. Тому вакансійний мікродефект може вирости і змінити свій знак деформації з вакансійного на міжвузольний ще у "вакансійному" режимі. У результаті цього в області з шаруватим розподілом міжвузольних і вакансійних дефектів можуть бути тільки міжвузольні дефекти.

Мікродефекти в області "кільця" трактуються нами як аналогічні D-мікродефектам у кристалах, отриманих методом безтигельної зонної плавки. Ці мікродефекти в силу специфічності умов вирощування кристалів мають рівномірний кільцевий розподіл, подібний до розподілу міжвузольних D-мікродефектів у безтигельних монокристалах. Отже, у результаті зміни температурних умов вирощування D-мікродефекти в монокристалах кремнію, отриманих методом Чохральського аналогічні D-мікродефектам у безтигельному кремнію і спостерігаються тільки в "кільцевому" розподілі. Таке "кільце" рівномірно розподілених D(a)-мікродефектів поділяє області міжвузольних D(А')-мікродефектів у шаруватому розподілі й область спільного існування вакансійних і міжвузольних мікродефектів аналогічно тому, як це відбувається в кристалах, вирощених методом безтигельної зонної плавки.

У висновках сформульовано основні результати роботи:

1. Експериментально встановлено, що при перевищенні певних критичних значень швидкостей росту (V > 2,5 мм/хв для кристалів діаметром 50 мм, що отримані методом Чохральського, і V > 6 мм/хв для кристалів діаметром 30 мм, що отримані методом безтигельної зонної плавки) у монокристалах кремнію присутні мікродефекти як міжвузольного, так і вакансійного типів. Встановлено, що біля фронту кристалізації при температурах, близьких до температури плавлення, концентрації вакансій і власних міжвузольних атомів кремнію приблизно однакові.

2. Встановлено, що незалежно від методу вирощування об'ємних бездислокаційних монокристалів кремнію при їхньому охолодженні від температури кристалізації відбувається зародження вакансійних і міжвузольних мікродефектів, які потім перетворюються в міжвузольні D-мікродефекти. Подальша трансформація міжвузольних мікродефектів відбувається за схемою: D-мікродефекти ® В-мікродефекти ® А-мікродефекти.

3. Показано, що в процесі розпаду пересиченого твердого розчину власних точкових дефектів у кремнії фонові домішки кисню і вуглецю являють собою центри зародження мікродефектів.

4. Встановлено, що в ході різних технологічних впливів відбувається ріст і трансформація вихідних мікродефектів. У процесі автоепітаксійного росту моношару на бездислокаційних кремнієвих підкладках мікродефекти, що містяться в них, укрупнюються і трансформуються за схемою: D-мікродефекти ® В-мікродефекти ® А-мікродефекти ® дислокації. Іонна імплантація і подальші технологічні відпали ініціюють процеси росту і трансформації дефектів за схемою: ростові мікродефекти + точкові дефекти ® дислокаційні петлі + преципітати ® пластинчасті виділення + дислокації.

5. Поліпшення вольтамперних характеристик і підвищення напруги пробою приладових композицій у залежності від виду мікродефектів, що містяться в області об'ємного заряду, спостерігається у вигляді такої закономірності: зразки з А-мікродефектами ® зразки з В-мікродефектами ® зразки з D-мікродефектами.

6. Встановлено і експериментально підтверджено гетерогенний домішково-вакансійно-міжвузольний механізм утворення і трансформації ростових мікродефектів у структурно-досконалих монокристалах кремнію, який грунтується на таких засадах:

приблизній рівності концентрацій вакансій і власних міжвузольних атомів кремнію біля фронту кристалізації (поблизу температури плавлення);

утрудненні процесу рекомбінації власних точкових дефектів при високих температурах;

участі фонових домішок кисню і вуглецю у якості центрів зародження та у подальших процесах росту і трансформації мікродефектів;

розпаді пересиченого твердого розчину власних точкових дефектів у кремнії за двома незалежними механізмами, вакансійним та міжвузольним, при охолодженні.

Список опублікованих автором праць за темою дисертації

1. Таланин И.Е., Левинзон Д.И., Таланин В.И. Образование микродефектов в бездислокационных монокристаллах кремния // Сб. научн. тр. "Состояние, проблемы и направление развития производства цветных металлов в Украине". - Запорожье: ЗГИА, 1997. - С. 333-337.

2. Таланин И.Е., Левинзон Д.И., Таланин В.И. Исследование процессов дефектообразования в ионно-имплантированном кремнии // Труды Запорожской государственной инженерной академии (металлургия). - 1998. - № 1. - С. 88-92.

3. Таланін І.Є., Левінзон Д.І., Таланін В.І. Вплив залишкових домішок кисню та вуглецю на дефектоутворення у безтигельному кремнію // Український фізичний журнал. - 1999. - Т. 44, № 5. - С. 599-602.

4. Таланін І.Є., Левінзон Д.І., Таланін В.І. Дослідження трансформації ростових мікродефектів у кремнії після іонної імплантації // Український фізичний журнал. - 2000. - Т. 45, № 8. - С 963-967.

5. Talanin V.I. The mechanism of formation, growth and transformation of microdefects in dislocation-free monocrystals of silicon // Siberian Russian Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials (EDM'2000). Proc. - Novosibirsk: NSTU, 2000. - P. 87-91.

6. Таланин И.Е., Левинзон Д.И., Таланин В.И. Формирование и трансформация микродефектов в бездислокационных монокристаллах кремния // Известия вузов. Материалы электронной техники. - 2000. - № 4. - С. 21-27.

7. Таланін В.І., Таланін І.Є., Левінзон Д.І. Трансформація мікродефектів в процесі технологічних впливів // Український фізичний журнал. - 2001. - Т. 46, № 1. - С. 74-77.

8. Таланін В.І., Таланін І.Є., Левінзон Д.І. Механізм утворення мікродефектів у бездислокаційних монокристалах кремнію // Український фізичний журнал. - 2001. - Т. 46, № 3. - С. 333-337.

9. Talanin V.I., Talanin I.E., Levinson D.I. Microdefects in dislocation-free monocrystals of silicon // Single Crystal Growth and Heat and Mass Transfer. - Obninsk: SSC RF IPPE, 2001. - Vol. 1. - P. 205-212.

Размещено на Allbest.ru