КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2004, том 49, № 2, с. 239-243
РЕАЛЬНАЯ СТРУКТУРА КРИСТАЛЛОВ
УДК 621.315.592
ОБРАЗОВАНИЕ МИКРОДЕФЕКТОВ В ПОЛУПРОВОДНИКОВОМ КРЕМНИИ1
© 2004 г. В. И.Таланин, И. Е.Таланин, Д. И. Левинзон*
Запорожская государственная инженерная академия, Украина E-mail: V.l. Talanin@mail.ru *Запорожский институт государственного и муниципального управления, Украина
Поступила в редакцию 03.03.2003 г.
С помощью селективного травления и просвечивающей электронной микроскопии исследованы картины распределения и физическая природа (знак деформации кристаллической решетки) ростовых микродефектов в бездислокационных монокристаллах кремния, выращенных методами бестигельной зонной плавки и Чохральского. Предложены схемы образования и трансформации ростовых микродефектов в зависимости от скорости роста кристалла. Рассмотрен гетерогенный механизм зарождения микродефектов.
ВВЕДЕНИЕ
Для выяснения природы микродефектов и закономерностей их образования было предложено несколько теоретических моделей, каждая из которых базируется на различных гипотезах и экспериментальных данных. Исходным моментом для построения таких моделей является установление вида и природы доминирующих собственных точечных дефектов в области температур, близких к точке плавления. В настоящее время общепринятой является рекомбинационно-диф-фузионная модель Воронкова, в которой предполагается, что тип доминирующих дефектов определяется рекомбинацией между собственными междоузельными атомами кремния и вакансиями в начальный момент времени после охлаждения кристалла и зависит от соотношения скорости роста кристалла v и осевого температурного градиента G [1]. Согласно этой модели кристалл может выращиваться либо только в "междоузель-ном" режиме (при малых скоростях роста), либо только в "вакансионном" (при высоких скоростях роста). Теоретически, при некотором значении v/G = Ccrit должна происходить почти полная взаимная аннигиляция собственных точечных дефектов, что соответствует условиям роста "бездефектного" кристалла или "бездефектной" области в кристалле. Однако несмотря на то, что модель Воронкова, разрабатываемая вначале для кристаллов, полученных методом Чохральского (Czochralski grown silicon, CZ-Si), недавно была предложена для кристаллов, выращиваемых методом бестигельной зонной плавки (Floating Zoned Silicon, FZ-Si) [2], она, как и другие модели
1 Работа была представлена на Национальной конференции
по росту кристаллов (НКРК-2002, Москва).
(равновесная и неравновесная междоузельные, капельная, вакансионная, вакансионно-междоузель-ная), не может в полной мере претендовать на полноту описания указанных процессов и в ряде случаев противоречит известным экспериментальным данным. Отсюда вытекает необходимость постановки новых экспериментов и углубленного исследования физической природы микродефектов в FZ-Si и CZ-Si с целью выяснения и установления обобщенного механизма образования, роста и трансформации микродефектов.
Для достижения поставленной цели нами проведены комплексные экспериментальные исследования кристаллов обоих типов в следующих направлениях:
- изучение и установление физической природы (знака деформации кристаллической решетки) микродефектов различных видов;
- изучение влияния тепловых условий роста на распределение и тип микродефектов;
- исследование трансформации ростовых микродефектов в ходе различных термических обработок и технологических процессов.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Исследования проводились с помощью методов оптической и просвечивающей электронной микрокоспии. Использовались нелегированные монокристаллы кремния диаметром 30 мм с р = (2-4) х 103 Ом см (FZ-Si) и монокристаллы га-типа с р = (10-50) Ом см диаметром 50 мм (CZ-Si). Как показывает практика, в кристаллах таких диаметров образуются все известные типы микродефектов, в то время как в крупногабаритных кристаллах из-за изменения тепловых условий выращивания речь может идти только об ограни-
ченном круге этих явлений. Такой комплексный подход позволил не только подтвердить полученные ранее результаты, но и получить новые экспериментальные данные. Все это позволяет, с нашей точки зрения, установить обобщенный (единый) механизм образования, роста и трансформации микродефектов в кремнии независимо от метода его выращивания.
Экспериментально установлено, что в ^-81 [3-5]:
- А-микродефекты являются междоузельными дислокационными петлями размером 1...50 мкм с вектором Бюргерса Ь = 1/2 [110], которые залегают в плоскостях {111} и {110};
- 5-микродефекты являются скоплениями точечных дефектов междоузельного типа размером 20.50 нм, которые залегают в плоскостях {100} и {111};
- О-микродефекты являются скоплениями точечных дефектов междоузельного типа размером 4.10 нм;
- С-микродефекты полностью идентичны О-микродефектам по контрасту электронно-микроскопических изображений, знаку деформации кристаллической решетки и размерам. Поэтому выделять их как отдельный тип микродефектов нецелесообразно;
- при высоких скоростях роста (более чем 6 мм/мин) наряду с микродефектами междоузельного типа образуются и локализуются в одних и тех же областях кристалла микродефекты вакан-сионного типа.
Экспериментально установлено, что О-микро-дефекты в кристаллах ^-81, выращенных при высоких скоростях роста, образуются раньше, чем 5-микродефекты, которые в свою очередь образуются при более низких скоростях. А-мик-родефекты наблюдаются при скоростях, меньших, чем скорости, при которых визуализируются 5-микродефекты. Закалка кристаллов ^-81, выращенных при у = 6 мм/мин, приводит к образованию так называемой бездефектной области между фронтом кристаллизации и областью с О-микродефектами. Электронно-микроскопические исследования показали, что в бездефектной области содержатся как междоузельные, так и ва-кансионные дефекты размером 4.7 нм в концентрации ~4.5 х 1013 см-3. В кристаллах, выращенных при у = 9 мм/мин, после их закалки обнаружены междоузельные и вакансионные микродефекты приблизительно в сопоставимых концентрациях [6].
Дополнительная информация о природе и свойствах микродефектов в ^-81 получена при исследовании кристаллов, выращенных с постепенным изменением скорости роста у = 5.0, 6.0, 7.0, 7.5 мм/мин. В участках кристаллов, выращенных при у = 5.6 мм/мин, в центре было найдено
распределение О-микродефектов в виде канала. В участках кристаллов, выращенных при у = 7.0 и 7.5 мм/мин, канал расходится в кольцо из-за образования в его центре бездефектной области. Кольцо при у = 8.9 мм/мин исчезает. Электронно-микроскопические исследования показали наличие в канале междоузельных микродефектов размером 5.8 нм в концентрации ~1013 см-3. Аналогичные результаты были получены при изучении дефектов в кольце. Установлено, что в бездефектной области внутри кольца имеет место одновременное присутствие микродефектов междоузельного и вакансионного типов [7].
При изучении кристаллов СZ-8i выявлено, что характер распределения микродефектов изменяется от преимущественно полосчатого при у = 0.5.2 мм/мин до преимущественно равномерного при у > 2 мм/мин (050 мм). При повышении скорости роста кристалла диаметром 50 мм образуется кольцо равномерно распределенных микродефектов, окружающее бездефектную область. Электронно-микроскопические исследования выявляют как в кольце, так и в бездефектной области дефекты размером 4.12 нм в концентрации ~1013.1014 см-3. В кольце были найдены дефекты только междоузельного, а в бездефектной области - вакансионного и междоузельного типов [8, 9]. С повышением скорости роста кристалла до 3 мм/мин кольцо исчезало.
Обобщая указанные выше экспериментальные результаты, можно сказать, что наиболее важные и интересные данные получены при исследовании FZ-81 и СZ-Si, выращенных с переменной скоростью роста. Эти эксперименты позволили установить идентичность процессов дефек-тообразования в обоих типах кристаллов, которые заключаются в следующем:
- трансформация микродефектов проходит ряд последовательных стадий от совокупности вакансионных и междоузельных микродефектов до крупных дефектов с сильным деформационным контрастом, при этом увеличиваются размеры и уменьшается концентрация дефектов;
- при определенных тепловых условиях роста образуется кольцо равномерно распределенных микродефектов междоузельного типа, внутри которого совместно существуют микродефекты междоузельного и вакансионного типа;
- с увеличением скорости роста диаметр внутренней области растет до исчезновения кольца (при постоянном диаметре кристалла).
Таким образом, установлено, что независимо от метода выращивания бездислокационных монокристаллов кремния при их охлаждении от температуры кристаллизации происходит зарождение междоузельных и вакансионных микродефектов, которые затем преобразуются в междоузельные микродефекты. Дальнейшая трансформация меж-
у, мм/мин (а) 9
(б)
^егк 6
0
у, мм/мин 3
=Р(А') =
1Б\
-А + Б-
уг
2
уегИ 2
1
уегИ 1
Рис. 1. Схема образования и трансформации микродефектов в монокристаллах кремния: а -кристалл FZ-8i диаметром 30 мм, б - кристалл СZ-Si диаметром 50 мм, уегц, уегц 2 - экспериментально установленные скорости роста кристалла, при которых происходит появление (исчезновение) вакансионных микродефектов, мм/мин, уг - скорость роста кристалла, при которой происходит подавление явления переплавки, мм/мин, уегц 1 - теоретически рассчитанная скорость роста кристалла, при которой происходит появление вакансионных микродефектов и исчезновение междоузельных микродефектов (согласно модели Воронкова), мм/мин.
г
3
0
доузельных микродефектов происходит по схеме: О-микродефекты —В-микродефекты —А-ми-кродефекты. В процессе распада пересыщенного твердого раствора собственных точечных дефектов фоновые примеси кислорода и углерода представляют собой центры зарождения микродефектов [7]. На рис. 1 показана обобщенная схема образования и трансформации микродефектов для кристаллов, выращенных обоими методами, а на рис. 2 - зависимость концентрации и вида микродефектов в FZ-Si от скорости роста кристалла.
На основании полученных экспериментальных результатов предложена гете
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.