ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 6, с. 105-109
УДК 548.4:439.216:532.2
РОЛЬ БАРЬЕРОВ МИГРАЦИИ В ДИНАМИЧЕСКОМ ПОВЕДЕНИИ КОРОТКИХ ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ ДИСЛОКАЦИЙ В КРИСТАЛЛАХ КРЕМНИЯ
© 2015 г. В. А. Макара1, Л. П. Стебленко1, А. Н. Курилюк1, *, Ю. Л. Кобзарь1,
А. Н. Крит2, Д. В. Калиниченко1
1Киевский национальный университет им. Тараса Шевченко, физический факультет, 01601 Киев, Украина 2Учебно-научный центр "Физико-химическоематериаловедение" Киевского национального университета им. Тараса Шевченко и НАН Украины, 01033 Киев, Украина
*Е-таИ: uka4ka@ukr.net Поступила в редакцию 10.09.2014 г.
В работе анализируется влияние барьеров миграции на подвижность коротких (длиной Ь < 100 мкм) приповерхностных дислокаций в кристаллах кремния. Установлена зависимость барьера миграции от коэффициента диффузии примесей, доминирующих в кремнии после металлизации поверхности.
Ключевые слова: барьер миграции комплекса дислокация—примесь, приповерхностные дислокации в кристаллах 81, коэффициент диффузии примесей.
БО1: 10.7868/80207352815060153
ВВЕДЕНИЕ
Литературные данные свидетельствуют о том, что механизм движения дислокаций в кристаллах, в том числе и в исследуемых в данной работе полупроводниковых кристаллах кремния, зависит от относительной величины энергетических барьеров Пайерлса и локальных барьеров, созданных точечными дефектами [1]. Высокая чувствительность подвижности дислокаций к содержанию микродефектов связана с тем, что присутствие их в кристаллах даже в малых концентрациях может сильно изменить энергию активации процессов образования и движения перегибов на дислокации [2—7].
Если предположить, что на преодоление центров закрепления вдоль дислокации влияет расстояние между этими центрами, то вполне вероятно, что более плотное расположение микродефектов на коротких приповерхностных дислокациях (длиной L <100 мкм) в сравнении с длинными дислокациями (L > 300 мкм) (преимущественно исследуемыми в научной литературе) будет способствовать коагуляции микродефектов. Последнее должно приводить к образованию повышенной концентрации мощных препятствий для движения коротких приповерхностных дислокаций.
При решении вопроса о подвижности дислокаций в примесной атмосфере и за ее пределами, с нашей точки зрения, целесообразно рассматривать не только плотность и мощность дефектов, которые a priori сказываются на процессах образования и распространения двойных перегибов, лимитирующих движение дислокаций, но и по-
нятие сложного дефекта, а именно комплекса дислокация—примесь (Д—П), а также понятие миграционного барьера для указанного комплекса. Понятие миграционного барьера было введено в рассмотрение О.В. Клявиным [8].
Логично предположить, что характеристики комплекса дислокация—примесь резко отличаются от характеристик отдельных составляющих, которые в него входят: дислокации и примесного атома. Если барьеры Пайерлса обусловлены химическим взаимодействием и химической связью, локальные закрепляющие барьеры — плотностью атмосферы, то миграционные барьеры обусловлены степенью подвижности дефектов (энергией активации диффузии дефектов) и энергией связи в комплексе дислокация—примесный атом.
Можно предположить, что структура и миграционные характеристики комплекса Д—П зависят от предыстории кристаллов кремния.
Механизм движения коротких приповерхностных дислокаций, учитывающий роль барьеров миграции, практически не исследован в литературе. Между тем указанные исследования являются актуальными и целесообразными. Используя знания о природе и изменении состояния поверхности и приповерхностных слоев в полях внешнего влияния [9—11], можно определить такие методы обработки поверхности кремния, которые будут улучшать качество микроэлектронных приборов, используемых во многих технических отраслях.
106
МАКАРА и др.
Цель данной работы состояла в определении зависимости барьеров миграции для движения коротких дислокационных сегментов, выходящих своими концами на поверхность, от доминирующих в кремнии примесей. Барьеры миграции анализировались в исходных (контрольных) образцах кремния и в образцах 81 с металлизированной медью и никелем поверхностью.
МЕТОДИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАБОТЫ
Исследования были проведены на бездислокационных кристаллах 81 я-типа, легированных при выращивании методом Чохральского фосфором. В экспериментах использовались призматические образцы с ориентацией граней (111), (112), (110), имеющие размеры (20 х 2—3.4) х (0.3—3.0) мм (символы граней приведены последовательно в соответствии с убыванием их площади). Источником дислокационных полупетель служили концентраторы напряжений, созданные путем
нанесения царапины в направлении (110) на поверхности {111} кристалла с помощью алмазного индентора на приборе ПМТ-3. Требуемая дислокационная структура, состоящая из изолированных дислокационных полупетель, создавалась методом четырехопорного изгиба образцов (ось изгиба — (112 )) при повышенных температурах и малых нагрузках (Т = 923 К и а = 19.6 МПа). Полученный таким способом образец, содержащий петли глубиной от единиц до десятков микрометров, подвергался нагружению методом четырех-опорного изгиба вокруг оси (112 ) при фиксированных величинах приложенного внешнего скалывающего напряжения а, температуры испытания Т и времени действия нагрузки Величины перемещения дислокаций исследовались в температурном интервале Т = 823—973 К при напряжении а = = 63.5 МПа. Выходы концов дислокационных полупетель на исследуемую поверхность наблюдения образцов выявлялись с помощью стандартного травителя Сиртла. Для измерения подвижности коротких 60-градусных и винтовых дислокаций использовался метод повторного избирательного химического травления.
Четырехопорная схема нагружения позволяла получать достаточно протяженную область равномерной деформации на образце. При данной геометрии нагружения дислокации перемещались в направлениях (101) и (011) только в двух симметрично расположенных относительно оси изгиба плоскостях типа {111}. Величина нормальных растягивающих напряжений, действующих на слой материала вблизи рабочей поверхности нагруженных образцов, рассчитывалась в приближении теории упругости по формуле:
где Р — нагрузка, Ь — ширина образца, й — толщина образца, а — расстояние между ближайшими верхней и нижней опорами.
Напряжения сдвига, действующие на дислокации в обеих плоскостях скольжения, в выбранной геометрии нагружения были равны между собой и определялись по формуле:
а = 0.41а
н
(2)
Использовалась стандартная методика разделения 60-градусных и винтовых сегментов, выходящих на поверхность кристалла концов полупетель, основанная на использовании методов рентгеновской топографии. Этот метод позволил определить векторы Бюргерса полупетель, введенных в кристаллы 81 при данной геометрии образцов и условиях деформаций. Сопоставление ямок травления 60-градусных и винтовых сегментов полупетель позволило показать, что 60-градусным сегментам отвечают более глубокие ямки травления. В данной геометрии по одну сторону от царапины, нанесенной на поверхность (111), выходят исключительно 60-градусные дислокации, а по другую — 60-градусные и винтовые.
Как показано в [6], эффективным способом изменения концентрации и структуры микродефектов решетки в полупроводниковых кристаллах 81 является металлизация поверхности. В связи с этим в работе было изучено движение коротких дислокационных сегментов в кристаллах 81 с металлизированной медью и никелем поверхностью.
Нанесение твердофазных металлических покрытий меди на образцы с предварительно введенными дислокационными полупетлями осуществлялось термическим методом. Покрытие никеля наносилось с использованием метода электронно-лучевого испарения.
В основу методологии определения барьеров миграции в кристаллах кремния с металлизированной поверхностью были положены эмпирические зависимости, описывающие движение дислокаций.
Известно, что зависимость скорости дислокаций от внешних напряжений и температуры может быть представлена эмпирическим выражением:
и = и 0
/ \т а
\а о У
ехр
и эф
кТ
(3)
н
= 3
аР
Ъй2
(1)
где и0 — предэкспоненциальный множитель, содержащий среднее расстояние, которое проходит дислокация за каждый акт активации, частоту попыток и геометрический фактор (по некоторым определениям и0 — максимальная частота термических колебаний перегиба); а — внешнее напряжение; а0 и т — некоторые параметры, т при этом лежит в пределах 1—2 в широком интервале внешних напряжений; а0 — 1 МПа; Лэф — энергия активации движения дислокаций, которая равна ~2 эВ
РОЛЬ БАРЬЕРОВ МИГРАЦИИ В ДИНАМИЧЕСКОМ ПОВЕДЕНИИ
107
для кремния; к - постоянная Больцмана; Т - температура испытаний.
Согласно [12], выражение средней скорости дислокаций может быть представлено в виде:
Но
и « акТ, (4)
где а — механическое напряжение, к — постоянная Больцмана, Т - температура. Как отмечается в [12], параметр Н0 связан с высотой обусловленного стопором (препятствием) потенциального
барьера О0 соотношением Н0 « О».
При рассмотрении процессов увлечения примесных атомов подвижными дислокациями или процессов отрыва дислокаций от примесей потенциальный барьер О0, очевидно, можно отождествить с миграционным барьером дефекта дислокация—примесь.
Энергия миграции комплекса Д—П определяется соотношением Q0 = (3—5)Н0. Сопоставление выражений (3) и (4) позволяет представить параметр т, фигурирующий в формуле (3), в виде:
т = Н0. (5)
кТ
Экспериментально измеряемая температурная зависимость параметра т (т ~ /(1/7)) позволяла исходя из соотношения (5) определять высоту барьера Н0, который преодолевает короткая дислокация, прошедшая примесную атмосферу, а также энергию миграции комплекса Д—П (О0) после прохождения атмосферы. В свою очередь, параметр т определялся из экспериментальных зависимостей 1п и ~ 1п а.
Характерной особенностью движения коротких приповерхностных дислокаций, связанной с наличием мощных примесных атмосфер, является наличие времени задержки начала движения дислокаций [5, 6]. Следует отметить, что на длинных дислокациях время задержки дислокации в старт
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.