Зміст (стр. 4 )

Рис. 3.2. Вигляд фігур травлення на основних кристалографічних площинах (111), (100), (110)

Деякі травники (селективні) дають картину фігур травлення тільки на певній кристалографічній площині та дозволяють встановити орієнтацію, що відповідає тільки цій площині.

Очевидно, якщо зразок не представляє собою монокристал, то в різних місцях однієї і тієї ж його грані фігури травлення будуть різними.

Метод визначення орієнтації кристалів за фігурами травлення важкий, а точність визначення орієнтації низька; тому на практиці використовують інші методи.

3. Виявлення структурних дефектів кристалу.

Структурні дефекти представляють собою порушення правильності розміщення атомів кристалічної гратки: заміна атомів основної речовини атомами домішки, відсутність атомів у вузлах гратки (вакансії), наявність атомів основної речовини або домішки не у вузлах гратки, а у міжвузіллях і т. д. Найбільш розповсюджений вид дефектів – дислокації. На відміну від інших типів структурних дефектів дислокації здійснюють вплив на кристалічну гратку на відстанях більших за декілька міжатомних відрізків. Дислокації утворюються в процесі росту кристалу (зазначимо, що промисловість здійснює випуск бездислокаційних кристалів, зокрема, кремнію). Однак, вони можуть виникати і після механічних (при пластичній деформації), термічних (при наявності великих температурних градієнтів) та інших обробок напівпровідника в процесі виробництва приладів електронної техніки. (ПЕТ)

Незаповнені зв’язки на лініях дислокацій створюють глибокі локальні рівні в забороненій зоні напівпровідника. Атоми домішки, які знаходяться в кристалі, притягуються дислокаціями і намагаються скупчитися навколо них, утворюючи так звану атмосферу Коттрела, що призводить до мікронеоднорідності в розподілі легуючих домішок. При високих температурах атмосфера Коттрела розсмоктується, а при більш низьких – утворюється знову.

Від густини дислокацій в значній мірі залежать електричні, фотоелектричні і механічні властивості кристалу. Наявність дислокацій в напівпровідникові суттєво впливає на якість виготовлених з нього ВЕТ. Так, наявність в області p-n переходу хоча б однієї крайової дислокації, лінія якої перпендикулярна площині переходу, знижує напругу пробою діода.

Цікаво зазначити, що дислокації використовують при створенні деяких напівпровідникових пристроїв: в [9, гл. 12] описано ряд таких пристроїв на основі дислокаційних структур.

Структурні недосконалості, змінюючи електрофізичні властивості напівпровідника, погіршують характеристики напівпровідникових пристроїв аж до стимулювання відмов в їх роботі або передчасної деградації.

Розрізняють два основних типи дислокацій: крайову (лінійну) та гвинтову (дислокація Бюргерса); існують і їх комбінації. Розглянемо детальніше крайову дислокацію. На рис. 3.3. представлено переріз площиною рисунка, яка співпадає з площиною типу (100), простої кубічної кристалічної гратки, яка містить крайову дислокацію. Розташована посередині атомна площина, перпендикулярна площині рисунка, обривається на лінії ЕЕ (ця лінія проектується в точку Е), тобто є фактично атомною напівплощиною. Ліня ЕЕ, яка є краєм цієї перерваної атомної площини всередині кристалу, і називається крайовою дислокацією. Край вказаної напівплощини, тобто лінію ЕЕ, називають лінією дислокації. З рис. 3.3. видно, що атоми у верхній половині кристалу (Р) зближені навколо дислокації, а атоми в нижній частині (Q) розсунуті. - умовне позначення дислокації. (детальніше про дислокації див., наприклад, [10, гл. 13]).

Рис. 3.3 Переріз площиною рисунка, яка співпадає з площиною типу (100), простої кубічної кристалічної гратки, яка містить крайову дислокацію.

В металографічному методі дислокації виявляють шляхом хімічної дії на поверхню кристалу спеціально підібраним травником. В місцях виходу дислокацій на шліфі після травлення утворюються ямки, бо саме в цих місцях швидкість травлення набагато більша, ніж в інших точках кристалу. Форма основи ямки травлення залежить від орієнтації площини, де відбувається травлення. Сама ямка завжди представляє собою піраміду з вершиною, яка уходить в глибину шліфа. На відміну від фігур травлення які не покривають всієї поверхні шліфа, а розташовуються лише в місцях виходу дислокацій на поверхню. На рис. 3.4. показано вихід дислокацій на площину (ІІІ) зразка кремнію.

Кількість ямок травлення на шліфі не повинна залежати від часу травлення. Але при дуже великій тривалості процесу травлення основи ямок настільки розпливаються по шліфу, що можуть перекрити одна одну. В цьому випадку підрахунок густини дислокацій значно ускладнюється. Слід відмітити, що методом хімічного травлення виявляються не всі дислокації, а лише ті, що проходять або перпендикулярно шліфу, або з невеликим відхиленням від цього напрямку. В цьому і полягає неточність металографічного методу дослідження дислокацій: густина дислокацій, розрахована за кількістю ямок травлення, завжди буде дещо заниженою.

Рис.3.4 Вихід дислокацій на площину (ІІІ) зразка кремнію.

Однак, в ряді випадків дислокації, що йдуть з великим відхиленням від нормалі до досліджуваного шліфа, практично мають набагато менше значення, ніж ті, що йдуть паралельно нормалі. Через це металографічний метод виявлення дислокацій можна вважати достатньо точним.

Підрахувавши кількість n дислокаційних ямок травлення в полі зору мікроскопу і визначивши площу S поля зору (з допомогою об’єкт-мікрометру), отримаємо середню густину ямок травлення

4. Дослідження дефектів в епітаксіальних структурах [ІІ, §6, 4, 6.5]

Метод епітаксії розроблявся з початку 60-х років, і прогрес напівпровідникового виробництва багато в чому зобов’язаний розвитку технології епітаксії кремнію з газової фази (детальніше про різновиди епітаксії див. в [11, гл. 6]). Епітаксія – це процес орієнтованого нарощування кристалів на кристалах. Епітаксіальний шар – це монокристалічний матеріал, осаджений на кристалічну підкладку, який зберігає морфологію (структуру) цієї підкладки. Нарощування монокристалічного епітаксіального шару супроводжується утворенням дефектів структури – дислокацій, ліній ковзання, дефектів упаковки, поява яких пов’язана з конкретними умовами проведення технологічного процесу. Контроль дефектів, а також електрофізичних та геометричних параметрів епітаксіальних шарів здійснюють металографічним методом, за інтерференцією ІЧ-променів, з допомогою рентгенівського мікроаналізу і т. і. Ми зупинимося на металографічному вивченні ДУ, дислокацій та ліній ковзання в епітаксіальній структурі.

Оскільки, при епітаксіальному рості відтворюється морфологія підкладки, то дислокації, які містяться у пластині вихідного напівпровідника, переростають в епітаксіальний шар. Густина дислокацій у шарі зазвичай перевищує густину дислокацій у підкладці. Це обумовлено тим, що область поблизу розділу
підкладка - епітаксіальний шар характеризується наявністю домішок, забруднень та поверхневих дефектів, які впливають на довершеність шару, що росте, і які є джерелом виникнення дислокацій. Якщо для нарощування використовують бездислокаційні підкладки і поверхня ретельно оброблена та очищена, то генерація дислокацій може відбуватися в результаті термічних та механічних напружень, які виникають на різних стадіях теплової обробки структур.

У процесі підрахунку густини дислокацій необхідно враховувати і ямки травлення, розташовані вздовж ліній ковзання. Лінії ковзання з’являються через термічні пружні напруження, які виникають внаслідок неоднорідного розподілу температури по товщині та площі пластини (так, навіть плоска, абсолютно рівна підкладка на нагрівачеві, має перепад температур по товщині підкладки 20-50 К, внаслідок чого підкладка викривляється при нагріванні). При температурах нарощування епітаксіального шару пружні напруження виявляються достатніми для генерації дислокацій та їх міграції, яка супроводжується пластичною текучістю кристалу і утворенням ліній ковзання. Так, напруження, які виникають у вигнутій та неоднорідно нагрітій підкладці, можуть бути достатніми для утворення та переміщення дислокацій та зсуву площин (ІІІ) в напрямках (ІІ0) при ковзанні. Окремі лінії ковзання представляють собою сходи, які виникають в результаті дії стискаючих напружень на область пластини (стискання цієї області через викривлення пластини). Лінії ковзання, розташовані в центральній частині пластини, видні без хімічної обробки. Ця область виглядає матовою.

Запобіганню появи ліній ковзання сприяє зменшення температури процесу нижче того рівня, при якому відбувається пластична текучість (для кремнію це 1000 Сº), а також використання бездислокаційних підкладок та ретельне хімічне полірування.

Про дефекти упаковки. Ріст монокристалічного епітаксіального шару складається з зародження центрів кристалізації, приєднання атомів до цих центрів, бокового росту та з’єднання окремих плоских утворень в єдине ціле. Якщо якийсь атом зміщується відносно свого шару, то він стає початковою точкою розвитку ДУ, бо оточуючі його атоми в процесі росту також будуть зміщені відносно моноатомних шарів всього об’єму. Якщо при пластичній деформації на поверхні підкладки утворюються сходи, то при нарощуванні епітаксіального шару на них можуть утворюватися ДУ.

На поверхні епітаксіального шару ДУ утворюють плоскі фігури у вигляді рівносторонніх чи рівнобедрених трикутників, квадратів, прямих ліній, незамкнених трикутників та квадратів. Іноді утворюються складні форми: комбінації трикутників і ліній, квадратів та ліній. На кінці кожної з ліній присутня дислокація. Форма плоских фігур, утворених ДУ, залежить від кристалографічної орієнтації епітаксіального шару. В шарах, вирощених на підкладках, з орієнтацією в площині (ІІІ), ДУ проявляються у вигляді рівносторонніх трикутників, окремих кутів та сторін. На шарах з орієнтацією (ІІ0) виникають рівнобедрені трикутники, на площині (І00) – квадрати та їх комбінації.