Механізм утворення і властивості ростових мікродефектів у бездислокаційних монокристалах кремнію

У шостому розділі дисертації було досліджено вплив ростових мікродефектів на електрофізичні параметри монокристалів кремнію, а також вплив технологічних операцій на електричну активність мікродефектів у кремнієвих приладових композиціях.

Вивчення електричної активності мікродефектів було проведено шляхом вимірювання часу життя нерівноважних носіїв заряду і питомого електричного опору кремнієвих кристалів. Знайдено, що з підвищенням швидкості росту питомий електричний опір і час життя зростають, а в кристалі з вакансійними і міжвузловинними мікродефектами спостерігається зниження питомого опору. Крім того, електричну активність мікродефектів було вивчено шляхом вимірювання вольтамперних характеристик бар'єрів Шотткі, сформованих на зразках CZ-Si, що були вирощені при швидкостях росту V = 0,5; 1,0 і 2,5 мм/хв. Встановлено, що величини пробивних напруг підвищуються для зразків, що містять вакансійні і міжвузловинні мікродефекти. При дослідженні впливу мікродефектів на електричні характеристики силових діодів було використано кристали FZ-Si, отримані 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 D-мікродефектів, які містяться в цих зразках.

У сьомому розділі дисертації зроблено стислий огляд існуючих моделей утворення ростових мікродефектів: рівноважної міжвузловинної моделі Фелля, нерівноважної міжвузловинної моделі де Кока, краплинної моделі Чикави, вакансійної моделі ван Вехтена, вакансійно-міжвузловинної моделі Ху і рекомбінаційно-дифузійної моделі Воронкова. Остання модель розглянута більш докладно, тому що вона в даний час є загальноприйнятою. Аналіз існуючих моделей утворення мікродефектів показує, що вони не можуть повною мірою претендувати на повноту опису та у ряді випадків суперечать відомим експериментальним даним.

Обгрунтовано введення єдиної класифікації ростових мікродефектів, розглянуто основні положення і деякі особливості механізму утворення, росту і трансформації ростових мікродефектів.

Історично класифікація ростових мікродефектів у бездислокаційних монокристалах FZ-Si і CZ-Si грунтувалася на використанні методів селективного травлення і рентгенівської топографії з декоруванням. Недоліками існуючої класифікації, а також побудованих на ній теоретичних і якісних моделей, є відсутність відомостей про знак деформації кристалічної гратки кремнію, яка зумовлена тим або іншим типом мікродефектів. Велика кількість досліджуваних кристалів (більше ніж 60 зливків FZ-Si і більше ніж 15 зливків CZ-Si), отриманих при різноманітних теплових умовах росту, дозволили схематично уявити картини розподілу ростових мікродефектів у кристалах FZ-Si і CZ-Si при зміні швидкості росту кристала. З огляду на теплові умови росту і знак деформації кристалічної гратки можна в такий спосіб класифікувати ростові мікродефекти у бездислокаційних монокристалах кремнію (табл. 2, 3).

Порівняння даних табл. 2 і табл. 3 показує, що D-мікродефекти в канальному розподілі в кристалах CZ-Si не виявлено. Це може бути пов'язане з тим, що зміна теплових умов росту призводить до того, що подавлення явища переплавлення, відповідального за шаруватий розподіл А- і В-мікродефектів, відбувається в кристалах FZ-Si у міжвузловинному режимі росту, а в кристалах CZ-Si - у вакансійно-міжвузловинному. Крім того, кисень і вуглець присутні в кристалах CZ-Si у значно більших концентраціях, ніж у кристалах FZ-Si. Тому киснева преципітація знаходиться в тісному взаємозв'язку з дефектною структурою кристалів CZ-Si і призводить до утворення міжвузловинних дислокаційних петель зовні кільця D(С)-мікродефектів.

У реальних умовах вирощування монокристалів кремнію вже на достатньо малих відстанях від фронту кристалізації виникають значні пересичення власних точкових дефектів, зумовлені різкою температурною залежністю їхніх рівноважних концентрацій. Вуглець і кисень сприяють підвищенню температури утворення початкових агрегатів, тобто полегшують процес їхнього виникнення.

Особливу важливість мають експериментальні дослідження нелегованих надчистих монокристалів FZ-Si (кількість проходів зони становила 2...10), що дозволило вичленувати декілька параметрів (власні точкові дефекти, кисень і вуглець), відповідальних за утворення ростових мікродефектів. Ці дослідження дали підставу запропонувати гетерогенний механізм утворення ростових мікродефектів, основні положення якого полягають у тому, що:

- процес рекомбінації власних точкових дефектів поблизу температури кристалізації утруднено через наявність рекомбінаційного бар'єра;

- фонові домішки кисню і вуглецю беруть участь у процесі дефектоутворення як центри зародження, а також у процесах подальшого росту і трансформації ростових мікродефектів;

- розпад пересиченого твердого розчину точкових дефектів у кремнії при охолодженні відбувається за двома механізмами: вакансійним і міжвузловинним.

Таблиця 2. Класифікація мікродефектів у бездислокаційних монокристалах FZ-Si (діаметр 30 мм).

Таблиця 3. Класифікація мікродефектів у бездислокаційних монокристалах CZ-Si (діаметр 50 мм).

При вакансійному механізмі теоретично можливо очікувати як чисто вакансійну, так і вакансійно-домішкову агрегації. Вакансійно-домішкова агрегація починається раніше, ніж чисто вакансійна.

Це відбувається тому, що процес утворення домішкових частинок при поглинанні вакансій з їх пересиченого твердого розчину є термодинамічно вигідним. Міжвузловинні атоми кисню дуже рухливі, тому утворення комплексів стимулюється виходом міжвузловинного кисню в положення заміщення Оs:

Oi + VSi Os 2Os + 3Os +…+nOs.…

При низьких температурах атоми Оs є центрами утворення мікропреципітатів кисню. Утворення мікропреципітатів призводить до надлишку об'єму матриці, і буде поглинатися одна вакансія на кожні два атоми кисню. Подальше поглинання вакансій і домішки дефектом, що росте, призводить до зниження концентрації вакансій у порівнянні з концентрацією кисню. У результаті преципітати починають додатково поглинати кисень без участі вакансій, їхній розмір буде зростати, а деформація навколо них буде змінювати знак із вакансійної на міжвузловинну. Подальша агрегація супроводжується емісією власних міжвузловинних атомів кремнію. Межа повного переходу до міжвузловинного режиму росту може бути визначена з відношення V/G.

При міжвузловинному механізмі також існують центри зародження на основі міжвузловинних атомів кисню. У даному випадку каталітичну роль грають атоми вуглецю. Пересичення міжвузловинними атомами кремнію призводить до появи комплексів [CsISi]: Cs + ISi [CsISi]. Пересичення ISi зменшує критичний радіус [CsISi]-зародків і прискорює дифузію Cs, що призводить до утворення агломератів [CsISi]. Крім того, пересичення ISi, прискорюючи дифузію Оs, може призводити до спільної преципітації Оi і Сs. Збільшення розмірів міжвузловинних мікродефектів викликає істотне зменшення концентрації міжвузловинних атомів кремнію, що створює умови для преципітації домішки. У цьому випадку утворення частинок домішкової фази супроводжується емісією атомів кремнію у міжвузловину. В результаті утворюються два типи міжвузловинних мікродефектів: міжвузловинні агломерати (стоки для міжвузловинних атомів кремнію) і домішкові преципітати (джерела цих атомів).

Отже, у вакансійно-міжвузловинному режимі росту кристала відбувається киснево-вакансійна агрегація при розпаді пересиченого твердого розчину вакансій, а також вуглецево-міжвузловинна агрегація при розпаді пересиченого твердого розчину власних міжвузловинних атомів кремнію. При деякому критичному значенні відношення V/G ці два незалежних механізми (вакансійний та міжвузловинний) призводять до утворення малих міжвузловинних D-мікродефектів. Ці D-мікродефекти являють собою рівномірно розподілені малі В-мікродефекти, які потім трансформуються в А-мікродефекти. У міжвузловинному режимі росту кристала ріст преципітатів сприяє пересиченню власними міжвузловинними атомами і відбувається гомогенне зародження міжвузловинних кластерів (дислокаційних петель міжвузловинного типу - А-мікродефектів). У загальному випадку А-мікродефекти утворюються шляхом трансформації В-мікродефектів як за рахунок механізму призматичного видавлювання, так і за рахунок конденсації власних міжвузловинних атомів кремнію.

Описані механізми відповідають наведеним нижче квазіхімічним рівнянням.

Для вакансійного механізму:

1) Oi + VSi n(VO2) вакансійні мікродефекти.

2) вакансійні мікродефекти + nOi + nISi D-мікродефекти.

Для міжвузловинного механізму:

1) Сs + ISi n(CsISi) D-мікродефекти.

2) D-мікродефекти + nOi B-мікродефекти.

3) B-мікродефекти + ISi A-мікродефекти.

Отже, незалежно від методу вирощування бездислокаційних монокристалів кремнію при їх охолодженні від температури кристалізації відбувається зародження міжвузловинних і вакансійних мікродефектів, що потім трансформуються у міжвузловинні мікродефекти. Подальша трансформація міжвузловинних мікродефектів відбувається за схемою: D-мікродефекти В-мікродефекти А-мікродефекти. У процесі розпаду пересиченого твердого розчину ВТД фонові домішки кисню і вуглецю є центрами зародження мікродефектів і беруть участь у їхньому подальшому рості і трансформації.

Запропонований гетерогенний механізм розглядається як основне "робоче тіло" процесу дефектоутворення. Змінювати стан "робочого тіла" (тобто керувати процесом розпаду пересичених твердих розчинів точкових дефектів) можна в такий спосіб:

вибором різних теплових умов вирощування (швидкість росту, температурні градіенти біля межі поділу фаз, швидкість охолодження);

регулюванням стану ансамблю власних точкових дефектів у кристалі шляхом різних зовнішніх впливів (легування, радіаційні впливи та ін.);

проведенням різного виду термічних обробок вирощених монокристалів.

Головна особливість розпаду пересиченого твердого розчину точкових дефектів - генерація вторинних дефектів (А-мікродефектів і вакансійних мікропор), яка супроводжує ріст нової фази. Отже, спотворення кристалічної гратки визначаються не стільки наявністю частинок нової фази, сумарний об'єм яких незначний через малу розчинність домішки в кремнії, скільки наявністю вторинних дефектів.

Виходячи з гетерогенного механізму утворення ростових мікродефектів та пов'язаного з цим запровадження уявлення про первинні і вторинні ростові мікродефекти запропонована нова фізична класифікація (рис.3). Вона заснована на тому положенні, що основою процесу дефектоутворення є первинні киснево-вакансійні і вуглецево-міжвузловинні агломерати, що утворюються на домішкових центрах. При деяких теплових умовах росту кристала процес дефектоутворення супроводжується генерацією вторинних дефектів (утворенням скупчень власних точкових дефектів).

У відповідності з фізичною класифікацією первинними ростовими мікродефектами є В-мікродефекти, D(C)-мікродефекти та (I+V)-мікродефекти, а вторинними ростовими мікродефектами є А-мікродефекти та вакансійні мікропори. Утворення того чи іншого типу ростових мікродефектів обумовлено зміною теплових умов росту кристала.

ВИСНОВКИ

1. За допомогою просвітлювальної електронної мікроскопії вперше експериментально було встановлено, що у кристалах CZ-Si діаметром 50 мм:

мікродефекти в області кільцевого розподілу є скупченнями точкових дефектів міжвузловинного типу розмірами 4...12 нм;

усередині кільцевого розподілу співіснують дефекти міжвузловинного і вакансійного типів - (I + V)-мікродефекти;

за розміром, знаком деформації кристалічної гратки і картинам макророзподілу мікродефекти в області кільцевого розподілу нічим не відрізняються від D-мікродефектів у FZ-Si.

2. Експериментально встановлено, що в монокристалах FZ-Si і CZ-Si поблизу фронту кристалізації процес рекомбінації власних точкових дефектів утруднений внаслідок наявності рекомбінаційного бар'єра, у зв'язку з чим вакансії і власні міжвузловинні атоми кремнію знаходять стоки у вигляді атомів фонових домішок кисню і вуглецю, що підтверджується теоретичними розрахунками термодинаміки процесів агрегації точкових дефектів.

3. В залежності від теплових умов росту, зокрема фізичного параметра V/G, бездислокаційні монокристали кремнію ростуть у міжвузловинному режимі та вакансійно-міжвузловинному режимі, який обумовлений спільним існуванням міжвузловинних і вакансійних мікродефектів. При цьому теоретичний параметр V/G визначається нами експериментально з урахуванням діаметра кристала, швидкості охолодження і радіального температурного градіента.

4. Розпад пересиченого твердого розчину власних точкових дефектів відбувається одночасно за двома механізмами: вакансійному і міжвузловинному. Виявлено, що центрами зародження ростових мікродефектів служать фонові домішки кисню і вуглецю, і саме їх впливом визначається механізм наступного росту і трансформації мікродефектів.

5. Закономірності процесів росту мікродефектів і природа їх утворення у бездислокаційних монокристалах FZ-Si і CZ-Si є ідентичними. У вакансійно-міжвузловинному режимі росту при розпаді пересиченого твердого розчину вакансій відбувається киснево-вакансійна агрегація, в результаті якої утворюються преципітати SiO2. При розпаді пересиченого твердого розчину власних міжвузловинних атомів кремнію відбувається вуглецево-міжвузловинна агрегація з утворенням скупчень, що складаються з власних міжвузловинних атомів кремнію, атомів вуглецю і кисню.

6. При агрегації точкових дефектів у міжвузловинному режимі росту кристала в результаті пересичення твердого розчину власних міжвузловинних атомів кремнію за рахунок росту мікропреципітатів SiO2 відбувається процес гомогенного зародження міжвузловинних кластерів. Встановлено, що А-мікродефекти виникають під дією двох різних механізмів: конденсації власних міжвузловинних атомів кремнію і генерації дислокаційних петель, викликаної полем пружних напружень навколо преципітатів.

7. Агрегація точкових дефектів у вакансійно-міжвузловинному і міжвузловинному режимах росту кристалів за визначених теплових умов росту в процесі охолодження кристала призводить до утворення вторинних дефектів - вакансійних мікропор і міжвузловинних дислокаційних петель біля первинних киснево-вакансійних і вуглецево-міжвузловинних агрегатів відповідно.

8. Запропонована єдина класифікація ростових мікродефектів, що базується на аналізі картин їхнього розподілу в залежності від швидкості росту кристалів FZ-Si і CZ-Si малих діаметрів спільно з визначенням знака деформації кристалічної гратки. У цю класифікацію входять і нові мікродефекти, що утворюються в кристалах великого діаметра - вакансійні мікропори.

9. Експериментально встановлено, що технологічні впливи (високотемпературні обробки, радіаційні обробки) монокристалів бездислокаційного кремнію призводять до неминучої зміни об'ємного розподілу і трансформації міжвузловинних мікродефектів, яка незалежно від методу вирощування кристала відбувається за схемою: D-мікродефекти В-мікродефекти А-мікродефекти. Ця трансформація супроводжується укрупненням мікродефектів і зменшенням їхньої концентрації.

10. Встановлено і експериментально підтверджено принципово новий гетерогенний механізм утворення і трансформації ростових мікродефектів у бездислокаційних монокристалах кремнію, який грунтується на наступних підходах:

концентрації вакансій і власних міжвузловинних атомів кремнію поряд з фронтом кристалізації поблизу точки плавлення порівняні, рекомбінацією власних точкових дефектів при високих температурах можна знехтувати;

розпад пересиченого твердого розчину точкових дефектів при охолодженні кремнію від температури кристалізації здійснюється за двома незалежними механізмами: вакансійним і міжвузловинним;

основою процесу дефектоутворення є первинні киснево-вакансійні та вуглецево-міжвузловинні агломерати, що утворюються на домішкових центрах;

основною особливістю розпаду пересиченого твердого розчину точкових дефектів є генерація вторинних дефектів (скупчень власних точкових дефектів), яка супроводжує ріст нової фази.

СПИСОК ОСНОВНИХ ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

Таланин И.Е. Микродефекты в бездислокационных монокристаллах кремния. - Запорожье: ЗГИА, 1996. - 80 с.

Sitnikova A.A., Sorokin L.M., Talanin I.E., Sheikhet E.G., Falkevich E.S. Vacancy type microdefects in dislocation-free silicon single crystals // Phys. Stat. Sol. (a). - 1985. - Vol. 90, №1. - P. K31-K35.

Ситникова А.А., Сорокин Л.М., Таланин И.Е., Малышев К.Л., Шейхет Э.Г., Фалькевич Э.С. Исследование природы микродефектов в бездислокационных монокристаллах кремния // ФТТ. - 1986. - Т.28, №6. - С. 1829-1833.

Таланин И.Е., Строителева Н.И., Левинзон Д.И., Токарев В.П. Исследование дефектообразования в кремниевых обращенных эпитаксиальных структурах // УФЖ. - 1993. - Т. 38, №10. - С. 1517-1521.

Таланін І.Є., Левінзон Д.І., Шухіна І.Є. Утворення і трансформація мікродефектів у бездислокаційних монокристалах кремнію // УФЖ. - 1997. - Т. 42, №1. - С. 98-100.

Таланін І.Є., Левінзон Д.І., Таланін В.І. Вплив залишкових домішок кисню та вуглецю на дефектоутворення в безтигельному кремнії // УФЖ. - 1999. - Т. 44, №5. - С. 599-602.

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

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.

Таланін В.І., Таланін І.Є., Левінзон Д.І. Трансформація мікродефектів у процесі технологічних впливів // УФЖ. - 2001. - Т. 46, №1. - С. 74-76.

Таланін І.Є., Таланін В.І., Левінзон Д.І. Механізм утворення мікродефектів у бездислокаційних монокристалах кремнію // УФЖ. - 2001. - Т. 46, №3. - С. 333-336.

Talanin V.I., Talanin I.E., Levinson D.I. Physics of the formation of microdefects in dislocation-free monocrystals of float-zone silicon // Semicond. Sci. & Technol. - 2002. - Vol. 17, №2. - P. 104-113.

Таланин И.Е., Таланин В.И., Левинзон Д.И. Модель образования и трансформации микродефектов в бездислокационных монокристаллах кремния // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. - 2002. - №3. - С. 72-76.

Talanin V.I., Talanin I.E., Levinson D.I. Physical model of paths of microdefects nucleation in dislocation-free single crystals float-zone silicon // Cryst. Res. & Technol. - 2002. - Vol. 37, №9. - P. 983-1010.

Таланін В.І., Таланін І.Є. Дослідження процесів утворення мікродефектів у бездислокаційних монокристалах кремнію, вирощених методом Чохральського // УФЖ. - 2002. - Т. 47, №12. - С. 1153-1157.

Таланин В.И., Таланин И.Е. Микродефектная структура полупроводникового кремния // Известия вузов. Материалы электронной техники. - 2002. - №4. - С. 4-15.

Таланін В.І., Таланін І.Є. Утворення мікродефектів у бездислокаційних монокристалах кремнію, вирощених методами безтигельної зонної плавки і Чохральського // УФЖ. - 2003. - Т. 48, №1. - С. 41-46.

Таланін В.І., Таланін І.Є. Термодинамічні аспекти моделі утворення мікродефектів у напівпровідниковому кремнії // УФЖ. - 2003. - Т. 48, №2. - С. 123-126.

Talanin V.I., Talanin I.E., Levinson D.I. Microdefects in semiconducting silicon // Functional Materials. - 2003. - Vol. 10, №2. - P. 1-7.

Таланин В.И., Таланин И.Е., Левинзон Д.И. Об идентичности процессов дефектообразования в малогабаритных монокристаллах кремния // Известия вузов. Материалы электронной техники. - 2003. - №3. - С. 30-34.

Talanin V.I., Talanin I.E. Physical nature of grown-in microdefects in Czochralski-grown silicon and their transfofmation during various technological effects // Phys. Stat. Sol. (a). - 2003. - Vol. 200, №2. - P. 297-306.

Таланін І.Є., Таланін В.І., Левінзон Д.І. Вплив мікродефектів на електричні властивості об'ємних монокристалів кремнію та приладових структур на їх основі // Електроніка і зв'язок. - 2003. - № 20. - С. 174-176.

22. Talanin V.I., Talanin I.E. The microdefects classification in semiconducting silicon // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. - 2003. - Vol. 6, № 4. - P. 431-436.

23. Таланін І.Є. Формування і трансформація мікродефектів у бездислокаційних монокристалах кремнію // Науковий вісник Чернівецького університету. Фізика. Електроніка. - 2003. - Вип. 201. - С. 81-88.

Talanin V.I., Talanin I.E. Nucleation, growth and transformation of microdefects in FZ-Si // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. - 2004. - Vol. 7, № 1. - P. 16-21.

Таланин И.Е., Таланин В.И. Анализ контраста электронно-микроскопических изображений D-микродефектов // Известия вузов. Материалы электронной техники. - 2004. - №1. - С. 50-54.

Таланин В.И., Таланин И.Е., Левинзон Д.И. Образование микродефектов в полупроводниковом кремнии // Кристаллография. - 2004. - Т. 49, № 2. - С. 244-248.

Таланин И.Е., Таланин В.И. Физическая классификация ростовых микродефектов в бездислокационных монокристаллах // Металлофизика и новейшие технологии. - 2004. - Т. 26, № 3 . - С. 371-386.

Власенко В.Е., Галицкий Ю.П., Песоцкий Г.С., Пухов Ю.Г., Суслов А.В., Таланин И.Е., Трипольский В.М., Чувашов Ю.Д. Способ окислительного рафинирования кремния // А.с.758702 СССР, МКИ С 01 В 33/02. - № 2559335/23-26; заявлено 26.12.1977; опубл. 28.04.1980, бюл. № 53.

АНОТАЦІЇ

Таланін І.Є. Механізм утворення і властивості ростових мікродефектів у бездислокаційних монокристалах кремнію. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07. - фізика твердого тіла. - Чернівецький національний університет ім. Юрія Федьковича, Чернівці, 2005.

Дисертацію присвячено питанням утворення і трансформації ростових мікродефектів, їх впливу на електрофізичні параметри бездислокаційних монокристалів кремнію і кремнієвих композицій. В дисертації розроблено новий загальний механізм утворення ростових мікродефектів, який грунтується на численних експериментальних дослідженнях і концепції спільного існування вакансій та власних міжвузловинних атомів кремнію поблизу температури кристалізації. За допомогою просвітлювальної електронної мікроскопії проведено експериментальні дослідження знака деформації кристалічної гратки бездислокаційних монокристалів кремнію, яку викликають індивідуальні ростові мікродефекти різного типу. Для досліджень використано монокристали, що були вирощені за методами Чохральського і безтигельної зонної плавки при різних теплових умовах росту. Досліджено процеси трансформації ростових мікродефектів при технологічних діях на кристали (термічна обробка, епітаксійне нарощування, іонна імплантація); проведено електрофізичні дослідження об'ємних кристалів і отриманих композицій. Показано, що агрегація точкових дефектів у вакансійно-міжвузловинному і міжвузловинному режимах росту кристалів при визначених теплових умовах росту в процесі охолодження кристала може призводити до утворення вторинних дефектів - вакансійних октаедричних мікропор і міжвузловинних дислокаційних петель біля первинних киснево-вакансійних і вуглецево-міжвузловинних агрегатів відповідно. Створено єдину класифікацію ростових мікродефектів, що базується на картинах їхнього розподілу в залежності від швидкості росту кристалів малих діаметрів спільно з визначенням знака деформації кристаличної гратки, яка викликається тим або іншим мікродефектом.

Ключові слова: ростові мікродефекти, точкові дефекти, кремній, монокристал, трансформація, механізм утворення.

Таланин И.Е. Механизм образования и свойства ростовых микродефектов в бездислокационных монокристаллах кремния. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.07. - физика твердого тела. - Черновицкий национальный университет им. Юрия Федьковича, Черновцы, 2005.

Диссертация посвящена вопросам образования и трансформации ростовых микродефектов, их влиянию на электрофизические параметры бездислокационных монокристаллов кремния и кремниевых композиций. В дисертации разработан новый общий механизм образования ростовых микродефектов, который основан на многочисленных экспериментальных результатах и на концепции совместного существования вакансий и собственных межузельных атомов кремния вблизи температуры кристаллизации. Сложность решения проблемы дефектообразования в бездислокационных монокристаллах кремния связана с:

трудностью учета взаимодействия большого числа реагирующих компонентов системы (вакансии, собственные межузельные атомы кремния, кислород, углерод, легирующие примеси, железо, водород, азот и др.);

критичным влиянием на взаимодействие точечных дефектов тепловых условий роста кристалла, которые в свою очередь зависят от диаметра растущего кристалла и способа его выращивания;

исключительной сложностью наблюдения столь малых по размерам и по вносимым в решетку искажениям скоплений точечных дефектов, которые требуют применения прямых методов исследования с возможностью анализа знака деформации кристаллической решетки.

С помощью просвечивающей электронной микроскопии проведены экспериментальные исследования знака деформации кристаллической решетки бездислокационных монокристаллов кремния, которую вызывают индивидуальные ростовые микродефекты различного типа. Для исследований использовались монокристаллы, выращенные методами Чохральского и бестигельной зонной плавки.

Показано, что параметры роста (скорость роста, осевой температурный градиент, диаметр кристалла) и фоновые примеси углерода и кислорода оказывают существенное влияние на процесс дефектообразования. Выявлено, что в бездислокационных монокристаллах кремния вблизи фронта кристаллизации процесс рекомбинации собственных точечных дефектов затруднен из-за наличия рекомбинационного барьера. Вакансии и собственные межузельные атомы кремния находят стоки в виде атомов фоновых примесей кислорода и углерода. Центрами зарождения кислородно-вакансионных агрегатов являются области сжатия около межузельных атомов кислорода, к этим областям устремляются избыточные вакансии и другие межузельные атомы кислорода. Центрами зарождения углеродно-межузельных агрегатов являются области растяжения около замещающих атомов углерода, к этим областям направляются избыточные межузельные атомы кремния и межузельные атомы кислорода. В зависимости от тепловых условий роста бездислокационные монокристаллы кремния растут в вакансионно-межузельном и межузельном режимах роста.

Исследованы процессы трансформации ростовых микродефектов при технологических воздействиях на кристаллы (термические обработки, эпитаксиальное наращивание, ионная имплантация), проведены электрофизические исследования монокристаллов кремния и композиций на их иснове. Показано, что агрегация точечных дефектов в вакансионно-межузельном и межузельном режимах роста кристалла при определенных тепловых условиях роста в процессе охлаждения кристалла приводит к образованию вторичных дефектов - вакансионных микропор и межузельных дислокационных петель около первичных кислородно-вакансионных и углеродно-межузельных агрегатов соответственно. Установлен и подтвержден экспериментально гетерогенный механизм образования и трансформации ростовых микродефектов в бездислокационных монокристаллах кремния, основанный на следующих принципиально новых подходах:

концентрации вакансий и собственных межузельных атомов кремния у фронта кристаллизации вблизи точки плавления сопоставимы, рекомбинацией собственных дефектов при высоких температурах можно пренебречь;

распад пересыщенного твердого раствора точечных дефектов при охлаждении кремния от температуры кристаллизации осуществляется по двум независимым механизмам: вакансионному и межузельному;

движущей силой процесса дефектообразования являются первичные кислородно-вакансионные и углеродно-межузельные агломераты, образующиеся на примесных центрах;

главная особенность распада пересыщенного твердого раствора точечных дефектов - генерация вторичных дефектов (скоплений собственных точечных дефектов), которой сопровождается рост новой фазы.

Создана единая классификация ростовых микродефектов, которая основана на картинах их распределения в зависимости от скорости роста кристаллов малых диаметров совместно с определением знака деформации кристаллической решетки, вызываемой тем или иным дефектом.

Ключевые слова: ростовые микродефекты, точечные дефекты, кремний, монокристалл, трансформация, механизм образования.

Talanin I.E. The mechanism of formation of grown-in microdefects in dislocation-free silicon monocrystals and their property. - Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the doctor of physical and mathematical sciences on a speciality 01.04.07. - physica of а solid state. - Chernovci National University by Yu.Fed'kovich, Chernovci, 2005.

The dissertarion is devoted to problems of formation and transformation of grown-in microdefects and their influence on electrophysical parameters of dislocation-free silicon monocrystals and silicon compositions. In the dissertation the new general mechanism of grown-in microdefects formation which is based on numerous experimental results and on the concept of co-existence of vacancies and interstitials about crystallization temperature is developed. With the help of transmission electronic microscopy the experimental researches of a strain sign of a crystalline lattice of dislocation-free silicon monocrystals which call the individual grown-in microdefects of a various types are conducted . For researches the monocrystals which grown by the Czochralski and floating zone methods were used. The processes of grown-in microdefects transformation under technological effects on crystals (thermal processings, epitaxy growing, ionic implantation) are investigated and the electrophysical researches of silicon monocrystals and compositions are conducted. Is shown that the aggregate of point defects in vacancy-interstitial and interstitial growth regimes at a certain growth conditions during crystal cooling results in formation of secondary defects - vacancy octahedral microvoids and interstitial dislocation loops close to the primary vacancy-oxygen and carbon interstitial aggregates accordingly. The uniform grown-in microdefects classification which is based on pictures of their distribution depending on small-scale crystals growth rate jointly with determination of a strain sign of a crystalline is created.

Key words: grown-in microdefects, point defects, silicon, monocrystal, transformation, mechanism of formation.

Размещено на Allbest.ru