Конспект лекций по модулю Дефекты в неупорядоченных системах полупроводников (стр. 3 )

Высокая энергия бомбардирующих растущие пленки нитрида кремния частиц плазмы вызывает сжимающее механическое напряжение в пленках. При этом образуются слои нестехиометрического состава, которые содержат водород и обогащены кремнием. Водород может оказывать влияние на миграцию механических напряжений из слоя нитрида кремния. Высокий уровень механических напряжений соответствует большому содержанию водорода в пленках.

Основная проблема для пленок оксида кремния при снижении температуры осаждения – снижение его плотности (материал становится пористым).

Структура аморфных сплавов подобна структуре замороженной жидкости и характеризуется отсутствием дальнего порядка в расположении атомов. Аморфные сплавы получили название металлических стёкол. Не имея кристаллической решётки, они лишены и характерных "дефектов" кристаллов - дислокаций и, главное, границ между зёрнами. Даже вакансии (пустые места, образуемые при удалении атомов из узлов кристаллической решетки) в аморфных сплавах имеют другую форму и размеры. Они больше похожи на пустоты чечевицеобразной формы. Их называют вакансионноподобными дефектами. Эти пустоты имеют вид узких щелей, и в них не может разместиться атом. Наличие таких дефектов сильно затрудняет диффузию (проникновение атомов) через аморфные металлические слои. К протяженным микроскопическим дефектам можно отнести межкластерные границы. К макроскопическим дефектам относятся поры, трещины, полосы сдвига и другие макронесовершенства.

Лекция 3

Дефекты в эпитаксиальных слоях и пленках.
Ростовые и введенные дефекты

При создании совершенных по структуре эпитаксиальных композиций возникает ряд трудностей, обусловленных такой спецификой эпитаксиальных структур, как необходимость получения тонких слоев с резко изменяющимися либо на границе раздела, либо в пределах каждого слоя свойствами.

Наиболее существенным источником дефектов в эпитаксиальных композициях являются напряжения, возникающие в них в процессе кристаллизации или последующего охлаждения от температуры выращивания. К основным причинам возникновения напряжений относятся:

1) различия периодов решетки сопрягающихся материалов Dа, вызывающие появление напряжений несоответствия sDа;

2) различия температурных коэффициентов линейного расширения сопрягающихся материалов Da или неравномерное распределение температуры по толщине и поверхности наращиваемого слоя, являющиеся источником термических напряжений sDa и sDТ в эпитаксиальной композиции;

3) наличие градиента состава по толщине эпитаксиального слоя sDС;

4) повышенная концентрация дефектов структуры на границах раздела.

В очень тонких слоях дополнительным источником напряжении являются силы поверхностного натяжения, которые в зависимости от знака поверхностной энергии могут вызывать сжатие или растяжение наращиваемого слоя.

Возникающие напряжения в зависимости от их величины, пластичности материала эпитаксиальной композиции, толщины наращиваемых слоев и тепловых условий выращивания могут частично релаксировать с образованием дислокаций, а остаточные напряжения вызывают упругую деформацию эпитаксиальных композиций.

В случае повышенной плотности структурных дефектов заметную роль могут играть микронапряжения, связанные с микродеформациями, обусловленными их присутствием.

По геометрическому признаку дефекты структуры эпитаксиальных слоев разделяют на поверхностные и объемные.

Первые, выявляемые визуальным осмотром освещенной поверхности, составляют основную долю брака, так как являются результатом не только нарушения технологии эпитаксиального наращивания, но и предыдущей технологии подложек (резки, шлифовки и полировки). Общее количество различных поверхностных дефектов доходит до 20. Название их во многих случаях взято из производственной практики: «сыпь», «рябь», «апельсиновая корка», «рельеф», «шипы», «корона» и др.

Шипы – иглообразные дефекты, которые обычно начинаются на дне пустоты или ямки и могут выдаваться на несколько десятков мкм над поверхностью эпитаксиального слоя.

Пустоты – нарушения непрерывности эпитаксиального слоя, которые проникают через весь слой вплоть до подложки.

Ямки – отчетливое углубление на поверхности эпитаксиального слоя. Эти дефекты не проникают в подложку, возникают благодаря присутствию частиц инородного материала.

Пирамиды – несовершенства, выступающие над поверхностью слоя и имеющие в зависимости от условий роста более или менее пирамидальную форму. Они образуются, когда ориентация подложки очень близка к плоскости (111) (отличается от нее не более чем на 0,5о); их образованию способствуют низкая температура осаждения и большая скорость роста.

Структура «апельсиновой кожуры» - волнистость на поверхности эпитаксиального слоя, которая видна невооруженным глазом. Является результатом недостаточной очистки поверхности или обусловлена неравномерным ее травлением.

Впадины – мелкие углубления на поверхности эпитаксиального слоя. Обычно обуславливаются несимметричным положением подложки во время эпитаксиального роста. С увеличением толщины слоя эти дефекты становятся все более резко выраженными.

Корона – возвышение по краям образца, обусловленное повышенной скоростью роста на ребрах. С возрастанием толщины слоя корона увеличивается.

Фаска – образование грани вместо ребра по краю образца в тех случаях, когда поверхность образца не совпадает с какой-либо кристаллографической плоскостью с низкими индексами.

Дымка – образование мутных участков на поверхности эпитаксиального слоя.

Наиболее распространенными поверхностными дефектами эпитаксиальных структур являются бугорки, сыпь (мелкие трипирамиды) и ступеньки сдвига (линии скольжения). Появление бугорков (см. рис.3.1,а), как и других локальных неровностей поверхности эпитаксиального слоя (ямок и выступов), обусловлено наличием на поверхности инородных частиц, изменяющих механизм роста эпитаксиального роста. Это подтверждается повышенным со держанием в бугорках примесей углерода, кислорода, азота и др. Высота бугорков колеблется в широких пределах— от 1,5 до 20 мкм, а плотность достигает 103 см-2.

Рис.3.1. Дефекты структуры эпитаксиальных слоев кремния:

а – бугорок; б – трипирамида; в – ступенька сдвига (линия скольжения);

г – дефекты упаковки, х100 (а, б), х2 (в). При печати в, г уменьшены до ~3/5.

Звездообразные, состоящие из трех пирамид выступы (рис.3.1,6) – так называемые трипирамиды, возникают на поверхности эпитаксиального слоя в результате сложного двойникования. Встречаются также выступы, состоящие из одной или из двух пирамид. При большой плотности пирамиды различных типов, пересекаясь, образуют пирамидальные дефекты сложной формы. При большой плотности мелких пирамид они выглядят на поверхности эпитаксиального слоя, как сыпь. Области слоя в окрестностях пирамид содержат различные дефекты структуры: двойниковые ламели, дефекты упаковки и др. Пирамиды зарождаются тогда, когда скорость адсорбции атомов полупроводника на поверхности подложки превышает скорость их встраивания в кристаллическую решетку. Они образуются также на кристаллографических и механических дефектах подложки, на частицах загрязнений.

Ступеньки сдвига (линии скольжения) проявляются на поверхности эпитаксиального слоя в виде рельефных линий, располагающихся параллельно следам пересечения плоскостей {111} с поверхностью слоя (рис.3.1, в). Чаще всего они зарождаются у краев подложки, хотя встречаются и в центральной части слоя. Высота их колеблется от 0,05 до 0,15 мкм. Основной причиной этого вида поверхностных дефектов является неравномерное распределение термоупругих напряжений по толщине и поверхности подложки, обусловленное неравномерным ее нагревом вследствие плохого прилегания изогнутой подложки к подложкодержателю, неравномерного нагрева подложки и отвода тепла от нее и т. п. Помимо величины и характера распределения термоупругих напряжений в объеме эпитаксиального слоя, вероятность образования в нем ступенек сдвига зависит и от ориентации растущего эпитаксиального слоя. Так, в слоях, ориентированных по {100}, она на 25 % больше, чем в слоях, ориентированных по {111}.

Дислокации. Термоупругие напряжения в эпитаксиальном слое служат причиной возникновения такого распространенного объемного дефекта структуры, полупроводников, как дислокации. Плотность их даже в случае осаждения эпитаксиального слоя на бездислокационной подложке доходит до 5×103 см-2. Другой причиной образования дислокаций являются напряжения, возникающие в эпитаксиальном слое в результате различия периодов решеток его и подложки, легированных различными примесями или одинаковыми, но в различных концентрациях. Называемые дислокациями несоответствия они представляют собой 60°-ные дислокации, лежащие в направлениях пересечения плоскостей скольжения {111} с плоскостью роста эпитаксиального слоя. Наличие в эпитаксиальном слое концентраторов напряжений, которыми служат включения второй фазы, также усиливает генерацию дислокаций несоответствия. При увеличении толщины эпитаксиального слоя различные типы дислокаций, взаимодействуя между собой, образуют дислокационные стенки.

Необходимо отметить, что возможности проявления описанных выше общих закономерностей дефектообразования в значительной степени определяются технологическими особенностями процесса получения эпитаксиальной структуры. Уже выбор метода выращивания (ГЭ, ЖЭ или молекулярная эпитаксия) в значительной мере определяет специфику генерации дефектов, обусловленную разным характером зародышеобразования и роста эпитаксиального слоя, разным состоянием поверхности границы раздела и пленки и т. д.

Дефекты упаковки почти всегда присутствуют в объеме эпитаксиальных слоев и чаще всего возникают на границе раздела подложка – слой или вблизи нее. В начальной стадии развития они представляют собой небольшие области с неправильным чередованием атомных слоев. Далее по мере утолщения эпитаксиального слоя они, развиваясь, образуют тетраэдр. Пересечение его граней с плоскостью роста слоя имеет вид на плоскости {111} равностороннего треугольника (рис.3.1, г), на {100} – квадрата и на {110} – прямоугольника, выявляемых химическим травлением.