Конспект лекций по модулю Дефекты в неупорядоченных системах полупроводников (стр. 4 )

Образованию дефектов упаковки способствуют дефекты подложки (дислокации, линии скольжения, микроцарапины и др.), а также нарушения процесса эпитаксиального роста (высокие скорости осаждения, попадание в слой примесей и загрязнений и др.).

Дефекты упаковки расширяются в направлении роста кристалла, захватывая все большую часть его поверхности и объема. С электрофизической точки зрения наиболее нежелателен тот факт, что ДУ вызывают неоднородное распределение примесей и таким образом ухудшают электрофизические характеристики слоев (подобно пучковым дислокациям).

Дефекты двойниковой природы. В эпитаксиальных пленках наблюдаются два типа дефектов двойниковой природы: трипирамидальные дефекты (рис.3.1,б) и микродвойниковые ламели. Эти дефекты наиболее характерны для эпитаксиальных пленок кремния и часто сопутствуют друг другу. Трипирамидальные дефекты (рис.3.2) наблюдаются только в пленках, выращенных на подложках (111), и выявляются в виде бугорков, в идеале имеющих форму правильной трехлучевой звезды. Трипирамиды обычно зарождаются на поверхности раздела пленки с подложкой, и размер их увеличивается по мере наращивания пленки. В центре такого рода дефектов, как правило, присутствует треугольная площадка сечением несколько сотен нанометров, имеющая структурное несоответствие относительно подложки.

Рис. 3.2. «Тройные пирамиды», образующиеся в результате повторного двойникования в слоях {111}

Линейные дефекты, связанные с трипирамидами, по внешнему виду аналогичны ДУ. Они возникают на поверхности раздела подложка – пленка, растут вдоль наклонных плоскостей {111} и пересекают поверхность вдоль направлений <110>. Эти дефекты представляют микродвойниковую ламель с однократным двойникованием относительно одной из наклонных плоскостей {111} матрицы.

Основная причина образования дефектов двойниковой природы для кремния – поверхностные загрязнения углеродом в виде фазы b-SiC. Для Германия и арсенида галлия, где возникают совершенно аналогичные трипирамиды, образование карбидов не характерно и, очевидно, дефектными центрами здесь служат частицы других примесей (для соединений АIIIBV ими, по-видимому, могут служить микрообласти с отклонением от стехиометрии).

Макродефекты. Макродефекты являются грубым нарушением структуры, которое делает эпитаксиальные слои неприменимыми для практических целей. Однако при отработке новых технологических процессов такие дефекты встречаются сравнительно часто.

При получении гетероструктур иногда наблюдается эрозия границы раздела. Этот дефект возникает в результате неоднородного травления подложек и захвата газовой фазы образующимися порами. При дальнейшем росте в таких порах в микромасштабах протекают транспортные реакции, в результате чего состав пористой переходной области приообретает очень сложное и неоднородное распределение. Образование пор может также быть вызвано окисными пленками. В зависимости от ориентации подложки поры могут либо остаться открытыми, либо полностью зарасти на последующих стадиях; такие скрытые поры геометрически подобны перевернутым дефектам упаковки.

Включения второй фазы, по-видимому, не являются характерным дефектом в кристаллах, получаемых из газовой фазы. Другой вид включений – области с инородной ориентацией. Они образуются в результате квазигомогенной кристаллизации при неупорядоченном режиме массообмена, приводящем к локальным пересыщениям в объеме газовой фазы. Этот нежелательный дефект можно полностью предотвратить, если обеспечить однородный диффузионный или ламинарный массопоток к поверхности подложки.

Если в наращиваемый эпитаксиальный слой вводят до высоких концентраций электрически активные легирующие примеси, то в нем, помимо уже рассмотренных, могут возникать и другие дефекты, характерные для сильнолегированных полупроводников: комплексы атомов легирующей примеси с собственными точечными дефектами, дисперсные выделения второй фазы и связанные с ними дислокационные петли и ДУ.

Анализ причины возникновения поверхностных и структурных дефектов в эпитаксиальных слоях элементарных полупроводников показывает, что основными направлениями борьбы с ними являются повышение качества обработки и чистоты поверхности подложек, уменьшение осевых и радиальных градиентов температуры в подложке и растущем слое, проведение процесса эпитаксиального роста в стерильных условиях и оптимальном режиме. Последние два направления определяются в основном совершенством используемой в производстве эпитаксиальных структур аппаратуры.

Лекция 4

Состояние поверхности полупроводниковых материалов

Поверхность – это особое состояние вещества. Электронные свойства и атомное строение поверхности совсем не такие, как в объеме. В частности, из-за того, что у атомов в поверхностном слое химические связи оказываются разорванными при расколе кристалла и потому ненасыщенными, поверхностные электроны приобретают тенденцию к образованию новых связей. Поверхностные состояния, возникающие из-за присутствия на поверхности электронов-одиночек, часто называют «болтающимися связями».

Это приводит к появлению в запрещенной зоне дополнительных поверхностных энергетических уровней. Эти уровни, которые обычно называют поверхностными состояниями (ПС), можно качественно интерпретировать как оборванные связи или ненасыщенные (болтающиеся) валентности поверхностных атомов. Поэтому концентрация ПС по порядку величины должна соответствовать поверхностной плотности атомов твердого тела ~ 1015 см-2.

Модель идеальной поверхности - геометрическую плоскость, на которой атомы или ионы расположены так же, как и на соответствующих кристаллографических плоскостях внутри кристалла. Реальная ситуация на поверхности полупроводника оказывается намного сложнее. Наиболее существенные дополнительные факторы, которые необходимо принимать во внимание при анализе причин возникновения ПС:

1. Даже на атомарно чистых поверхностях, полученных в условиях сверхвысокого вакуума с помощью специальной техники скалывания кристалла или с применением сложных методов очистки (например, ионная бомбардировка + термообработка), наблюдаются признаки нарушения порядка: поверхностные атомы претерпевают относительно большие смещения от их положений, соответствующих объему полупроводника.

2. При подготовке полупроводниковых пластин к изготовлению прибора или проведению лабораторных исследований кристалл подвергается механической (резка, шлифовка, полировка) и химической обработке (стравливание нарушенного слоя, очистка). Эти операции в той или иной степени оставляют следы на поверхности в виде адсорбированных примесей и структурного разупорядочения.

3. В обычных условиях полупроводник находится в контакте с окружающей средой, что приводит к образованию покровной оксидной пленки толщиной до 3-4 нм и осаждению на внешней поверхности этой пленки кислорода, углерода, паров воды и других примесей.

4. Поверхностные дефекты и адсорбированные атомы могут обмениваться электронами с полупроводником, выступая в роли донорных или акцепторных поверхностных ловушек. Появление донорных центров соответствует ситуации, когда дефектам или адсорбированным атомам энергетически выгодно отдавать электроны полупроводнику или захватывать дырки из полупроводника. При этом они превращаются в положительно заряженные ионы. Акцепторные центры захватывают электроны из объема полупроводника, и поверхность заряжается отрицательно.

Следовательно, реальная поверхность в микроскопическом смысле представляет собой тонкую, но все же трехмерную переходную область, отделяющую объем полупроводника от окружающей среды. Эта область отличается особым химическим составом и повышенным содержанием неконтролируемых примесей и структурных дефектов, которые и являются основными источниками возникновения электронных ловушек.

Электрические параметры электронных полупроводниковых приборов и их стабильность зависят от состояния поверхности полупроводниковых пластин, ме­няющегося в результате физических и химических процессов, протекающих на поверхности.

К чистой поверхности полупроводниковых пластин предъявляются требования по минимальному содержанию различных загрязнений: органических, примесей металлов, механических частиц.

Загрязнения на поверхности пластин кремния могут быть органического и неорганического происхождения и их можно условно разделить по форме на жидкие и твердые пленочные загрязнения, частицы. Частицы и пленочные загрязнения могут состоять из ионов, атомов, молекул и т. д. Органические загрязнения присутствуют в остатках фоторезиста, различного вида жиров, смазки и масел, использующихся в производстве.

Загрязнения могут присутствовать в виде молекул, ионов, атомов, а также образовывать соединения между собой и подложкой. Атомные загрязнения представляют собой металлические пленки или частицы, например, электрохимически осажденные пленки металлов (Au, Ag, Cu и др.); частицы материала (Si, Fe, Ni и др.). Ионные загрязнения представляют собой катионы или анионы из неорганических химических растворов, например, Na+, Cl-, SO32-.

Загрязнения могут быть разделены по типу их физико-химического взаимодействия с поверхностью полупроводника. Физические (или механические) загрязнения (пыль, волокна, абразивные и металлические частицы, органические загрязнения) связаны с поверхностью силами физической адсорбции. Наиболее опасными являются химические загрязнения, так как требуют большей энергии для удаления с поверхности, поскольку связаны с ней силами хемосорбции. В качестве примера химических загрязнений можно назвать окисные и сульфидные пленки, катионы, атомы металлов и др.

Кристаллические дефекты, обусловленные наличием пор или включений у поверхности пластины, соизмеримы с размерами механических загрязнений.

Кроме того, при очистке подложек предъявляются требования к состоянию поверхности, а именно: изменение шероховатости поверхности в процессе химической обработки, которая может увеличиваться после проведения технологических операций.

Таким образом, поверхностные загрязнения вызывают дефекты в осаждаемых пленках, такие как частицы, проколы, ямки, плохая адгезия, матовость пленки, локальные изменения толщины и т. п.

Геометрические характеристики рельефа поверхности и формы пластин полупроводниковых материалов определяются совокупностью следующих основных параметров:

1.  Параметры, характеризующие общее отклонение от плоскостности поверхности при условии, что пластина находится в прижатом состоянии. Эти параметры отражают чисто поверхностные свойства пластины.

2.  Параметры, характеризующие локальное отклонение от плоскостности поверхности в пределах ячейки заданных размеров при условии, что пластина находится в прижатом состоянии. Эти параметры отражают чисто поверхностные локальные свойства пластины.

3.  Параметры, характеризующие геометрическую форму пластины в не прижатом состоянии. Эти параметры характеризуют объёмные свойства пластины.

4.  Толщина пластины и однородность распределения толщины по площади пластины.

5.  Доля годной поверхности пластины по заданному геометрическому параметру.

Локальное отклонение от плоскостности (STIR) является геометрическим параметром, характеризующим высоту рельефа поверхности пластины в пределах ячейки определённых размеров относительно выбранной общей или локальной базовой плоскости (рис.4.1).

STIR=cd-(-ab)

 

Рис.4.1. Локальное отклонение от плоскостности STIR

Толщина пластины Т - расстояние между встречными точками рабочей и обратной стороны поверхности. За номинальное значение принимается толщина, измеренная в центре пластины.

Изменение толщины TTV - величина, характеризующая разброс толщины пластины и равная разности максимального и минимального значений, измеренных в пяти точках, одна из которых размещена центре, а другие на двух взаимно перпендикулярных диаметральных линиях на заданном расстоянии от края пластины.

Общее изменение толщины TTV- величина, характеризующая разброс толщины пластины и равная разности максимального и минимального значений, измеренных в равномерно распределённых по нормируемой площади контроля точках, число которых устанавливается произвольно по согласованию с потребителем (рис.4.2).

TTV=ab-cd

Вакуумный стол

Рис. 4.2. Общее изменение толщины TTV

Коробление пластины (warp) - мера деформации срединной поверхности находящейся в свободном состоянии пластины, имеющей форму выпуклости, вогнутости или чередующихся выпуклых и вогнутых участков. Количественно характеризуется разностью максимального и минимального расстояний серединной поверхности по нормали к опорной плоскости, параллельно которой происходит сканирование измерительного датчика.

Прогиб – мера деформации срединной поверхности находящейся в свободном состоянии пластины. Количественно характеризуется расстоянием срединной поверхности от общей базовой плоскости срединной поверхности в центре пластины по нормали к опорной плоскости, параллельно которой происходит сканирование измерительным датчиком.