Структура и дефекты в монокристаллическом кремнии

Структура и дефекты в монокристаллическом кремнии

Кремний обладает алмазоподобной кристаллической решеткой, которая может быть представлена в виде двух взаимопроникающих гранецентрированных решеток. Параметр решетки - 0.54 нм, кратчайшее расстояние между атомами - 0.23 нм. Легирующие атомы замещают атомы кремния, занимая их место в кристаллической решетке. Основными легирующими атомами являются фосфор (5^ти валентный донор замещения) и бор (3-х валентный акцептор замещения). Их концентрация обычно не превышает10^-8 атомных процента.

Реальные кристаллы отличаются от идеальных следующим:

• они не бесконечны и поверхностные атомы обладают свободными связями
• атомы в решетке смещены относительно идеального положения вследствие термических колебаний
• реальные кристаллы содержат дефекты

С точки зрения размерности выделяют следующие типы дефектов реальных кристаллов:

• точечные дефекты
• дислокации или линейные дефекты
• поверхностные или двумерные дефекты
• объемные дефекты

Точечные дефекты (справка)

К точечным дефектам относятся:

• дефекты по Шоттки,
• дефекты по Френкелю,
• атомы примеси в положении замещения,
• атомы примеси в междоузлии.

Дефект по Шоттки представляет собой вакансию в кристаллической решетке. Вакансия образуется, как правило, на поверхности кристалла. При этом атом или покидает решетку или остается с ней связанным. В дальнейшем вакансия мигрирует в объем кристалла за счет его тепловой энергии. В условиях термодинамического равновесия концентрация этих дефектов N_Ш задается уравнением:

N_Ш= C·exp(-W/kT), (*)

где C - константа,
W - энергия образования данного вида дефекта.

Для кремния значение W= 2,6 эВ.

Рекомендуемые материалы

Дефект по Френкелю представляет собой вакансию и междоузельный атом. Концентрация этих дефектов вычисляется также по формуле (*), но с большим значением энергии образования междоузельного атома W= 4,5 эВ. Вакансия и междоузельный атомы перемещаются внутри решетки за счет тепловой энергии.

Возможно внедрение примесных атомов в кристаллическую решетку. При этом атомы примеси, находящиеся в положении замещения, создают энергетические уровни в запрещенной зоне полупроводника.

Атомы примеси, находящиеся в междоузлиях, не создают этих уровней, но влияют на механические свойства полупроводника.

Линейные дефекты (справка)

К линейным дефектам относятся:

• краевая дислокация (см. рис. 1),
• винтовая дислокация (см. рис. 2).

Краевые дислокации возникают за счет параллельного смещения атомов одной плоскости относительно другой на одинаковое расстояние b в направлении, параллельном возможному перемещению дислокации. Винтовые дислокации также возникают за счет смещения атомных плоскостей, но атомы смещаются на разные расстояния в направлении перпендикулярном перемещению дислокации.

Оба типа дефектов образуются за счет механических напряжений, существующих в кристалле, и обусловлены градиентом температуры или большой концентрации примесных атомов. Краевые дислокации в кристаллах, используемых для производства ИС, как правило, отсутствуют.

Рис. 1. Рис. 2

Поверхностные дефекты (справка)

К поверхностным дефектам относятся:

• границы зерен монокристаллов,
• двойниковые границы.

Двойникование - изменение ориентации кристалла вдоль некоторой плоскости, называемой плоскостью двойникования BC (см. рисунок). Эти дефекты возникают в процессе роста в определенных частях кристаллического слитка. Для производства ИС такие кристаллы не используют, их отбраковывают.

Объемные дефекты (справка)

Одним из проявлений трехмерных нарушений в кристаллической решетке являются микродефекты и преципитаты (фаза, в которой выделяются примесные атомы, в случае превышения уровня растворимости в веществе при данной температуре).

При росте кристаллов кремния с очень низкой плотностью дислокаций возникает тип дефектов, которые, вероятно, характерны исключительно для полупроводниковых кристаллов и в настоящее время интенсивно исследуются. Из-за малого размера их называют микродефектами.

Картина распределения микродефектов в поперечном сечении кристалла обычно имеет вид спирали, поэтому ее называют swirl-картиной. Swirl по-английски означает "воронка, спираль". Swirl-картина обнаруживается и в кристаллах выращенных по методу Чохральского и в кристаллах зонной плавки независимо от их кристаллографической ориентации.

Впервые такие дефекты наблюдались при избирательном травлении пластин бездислокационного кремния. В них обнаружены дефекты, отличающиеся от дислокаций, дефектов упаковки, двойников, преципитатов и межзеренных границ. Они давали фигуры травления, названные "некристаллографическими" или "пустыми" ямками травления. Некристаллографические ямки не имеют определенной ориентации относительно кристалла или друг друга. Они имеют плоское дно и, следовательно, обусловлены вытравливанием локализованных, приблизительно сферических дефектов, отличных от дислокаций, которые являются линейными дефектами и дают при травлении "глубокие" ямки в местах своего выхода на поверхность.

В исследованных кристаллах с помощью рентгеновской топографии и избирательного травления были идентифицированы два типа микродефектов, отличающихся по размеру и концентрации. Микродефекты большого размера, названные А - дефектами, располагаются главным образом в областях, удаленных от поверхности кристалла и от краев пластин. Микродефекты меньшего размера (В - дефекты) наблюдаются во всем объеме кристалла вплоть до самой боковой его поверхности.

Образование вакансионно-кислородных комплексов. В отсутствии большой плотности дислокаций быстрое охлаждение кристалла от температуры плавления будет приводить к пересыщению кристалла этими дефектами. Верхний предел равновесной концентрации вакансий в кремнии составляет 9·10¹⁵ см^-3, а нижний - величину 2·10¹³ cм^-3. Вакансии в кремнии имеют довольно низкую величину энергии миграции.

Информация в лекции "12 Медицинская профилактика наркомании" поможет Вам.

Коэффициент диффузии D_n вакансий задается выражением:

,

где g - геометрический фактор; а - длина элементарного скачка; n - частота скачков; En - энергия миграции вакансий.

Вследствие низкой величины энергии миграции вакансии коэффициент диффузии почти не зависит от температуры и избыточные вакансии стремятся к объединению в кластеры, являющимися теми первичными, элементарными дефектами, на основе которых впоследствии возникают микродефекты.

В одной из моделей предполагается, что образование swirl-дефектов происходит путем агломерации избыточных вакансии с атомами кислорода. При охлаждении кристалла сначала образуются различные комплексы вакансия - кислород. Некоторые из них вырастают до достаточно больших размеров и начинают действовать как центры конденсации дополнительного количества вакансий.

Что касается преципитатов, то их наличие, например, фазы SiO₂ в Si приводит к образованию механических напряжений и, следовательно, возможному появлению микротрещин.