Микродефекты

Наиболее полно микродефекты изучены в кристаллах кремния и арсенида галлия, так как именно эти полупроводники являются основными материалами электронной техники. Присутствие микродефектов в кристалле влияет на рабочие характеристики изготавливаемых из них приборов.

.

Систематическое исследование характера распределения, природы и закономерностей образования микродефектов в кремнии началось с середины 60-х гг. На основе результатов выявления микродефектов с помощью избирательного химического травления и на рентгеновских топограммах декорированных медью или литием образцов бездислокационного кремния были выявлены два типа дефектов: А – (более крупные) и В-дефекты (более мелкие), с характерным слоистым распределением в объеме слитка. Картина распределения микродефектов А-типа в поперечном сечении кристалла обычно имеет вид спирали, поэтому ее называют swirl-картиной, а дефекты — «свирл-дефектами» (от англ. swirl — воронка, спираль). Свирл-распределение дефектов выявляется и в кристаллах выращенных по методу Чохральского, и в кристаллах, полученных методом зонной плавки, независимо от их кристаллографической ориентации. Установлено, что микродефекты А-типа представляют собой отдельные дислокационные петли внедренного типа или их скопления размером (1-10) мкм. Их объемная концентрация может достигать 10⁷-10⁹ см^-3. Предполагается, что дефекты В-типа представляют собой кластеры междоузельных точечных дефектов. Такие кластеры имеют диаметр 0.01-0.1 мкм, а их концентрация может достигать 10⁷-10¹¹ см^-3. Позднее были обнаружены еще два типа микродефектов: С- и D-дефекты. Микродефекты С- и D-типа имеют размеры менее 0.01 мкм, и их концентрация может превышать 10⁹ см^-3. Принципиального морфологического различия между ними не обнаружено. Природа С- и D-дефектов пока окончательно не расшифрована, предполагается, что D-дефекты представляют собой вакансионные поры или кластеры вакансионного типа.

Основную роль в образовании ростовых микродефектов в выращиваемых кристаллах кремния играют собственные точечные дефекты — вакансии и междоузельные атомы. В процессе выращивания в объеме кристалла образуются пересыщенные твердые растворы собственных точечных дефектов, которые во время посткристаллизационного охлаждения распадаются с образованием специфических агрегатов микронных и субмикронных размеров, получивших название микродефекты. Другим источником ростовых точечных дефектов или примесей, образующих микродефекты, является кислород, концентрация которого достаточна для образования в процессе посткристаллизационного охлаждения пересыщенного твердого раствора, а также углерод, концентрация которого влияет на объемную плотность дефектов С-типа. Примеси, как фоновые, так и легирующие, могут являться центрами гетерогенного зарождения микродефектов.

В бездислокационных монокристаллах кремния методом малоуглового рассеяния света обнаружены «примесные облака», представляющие собой локальные примесные скопления размером до 10 мкм, слабо деформирующие кристаллическую решетку. Примесные облака не обнаруживаются с помощью прямых дифракционных методов.

Существенную роль в образовании микродефектов играют процессы, происходящие при термообработке бездислокационных кристаллов на различных стадиях изготовления приборов. В процессе таких термообработок может продолжаться развитие «ростовых» и образование новых микродефектов, обусловленное распадом пересыщенного собственными точечными дефектами твердого раствора и коалесценцией микродефектов. Возможен также процесс их растворения в результате ухода собственных точечных дефектов или примесей, образующих микродефекты, на поверхность кристалла (пластины).

При избирательном химическом травлении в кристаллах полупроводниковых соединений, как легированных, так и нелегированных, выявляются мелкие недислокационные ямки (редко — бугорки), обусловленные наличием характерных микродефектов в объеме кристалла. Плотность и размер этих дефектов, вероятность их образования и характер распределения закономерно изменяются при увеличении уровня легирования и зависят от условий выращивания кристалла. В бездислокационных сильно легированных донорными примесями кристаллах соединений А^IIIВ^V часто наблюдается типичная свирл-картина, характерная для бездислокационного кремния.

Наиболее подробно микродефекты исследованы в выращенных и термообработанных кристаллах арсенида галлия, легированных донорными примесями, с использованием методов избирательного химического травления и просвечивающей электронной микроскопии. Микродефекты, выявляемые по ямкам травления, наблюдались в объемных кристаллах арсенида индия, фосфидов галлия и индия, антимонида галлия.

Согласно результатам электронно-микроскопического исследования, основными типами микродефектов в сильно легированных кристаллах соединений А^IIIВ^V являются:

- относительно крупные (размером 0, 1 – 1 мкм) дефекты упаковки, как однослойные, так и многослойные;

- мелкие (размером от нескольких единиц до десятков нанометров) призматические дислокационные петли;

- мелкие частицы выделений, расположенные обычно в площади дефекта упаковки или на дислокационной петле.

В нелегированных кристаллах арсенида галлия выявлены два типа микродефектов: в матрице и на дислокациях. Образование микродефектов в матрице кристалла связывают с процессами распада пересыщенного твердого раствора галлия в арсениде галлия, микродефекты на дислокациях идентифицированы как выделения гексагонального мышьяка.

Практически во всех случаях определяющую роль в образовании микродефектов в кристаллах полупроводников играют собственные точечные дефекты. Эта закономерность наблюдается как в случае кремния, так и для кристаллов полупроводниковых соединений.