Материал: Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Технология материалов электронной техники» для студентов направления «Электроника и наноэлектроника». Винокуров А.А., Плотникова Е.Ю

Составители: ассистент А.А. Винокуров, канд. техн. наук Е.Ю. Плотникова

УДК 621.382(075) ББК 31.233я7

Методические указания к выполнению лабораторных работ № 3 - 4 по дисциплине «Технология материалов электронной техники» для студентов направления 11.03.04 «Электроника и наноэлектроника» (направленность «Микроэлектроника и твердотельная электроника») очной формы обучения / ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»; сост. Е.Ю. Плотникова, А.А. Винокуров. Воронеж, 2017. 22 с.

В методических указаниях описываются процесс геттерирования точечных дефектов в кремнии, рассматриваются контрольные операции по определению количественных параметров дефектов в монокристаллах.

Методические указания подготовлены в электронном виде и содержатся в файле «МУ ТМЭТ_3_4.pdf».

Табл. 2. Ил. 4. Библиогр.: 3 назв.

Рецензент д-р техн. наук, проф. А.В. Строгонов

Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р физ.-мат. наук, проф. С.И. Рембеза

Издается по решению учебно-методического совета Воронежского государственного технического университета

© ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2017

2

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3

Изучение геттерирования точечных дефектов в малодислокационном кремнии

Задание на лабораторную работу

1. Изучить металлографическим методом влияние геттерирования на плотность структурных дефектов в малодислокационном кремнии.

Теоретические сведения

1. Точечные дефекты

Одной из важнейших задач полупроводниковой электроники является обеспечение высокой степени чистоты и совершенства кристаллической структуры полупроводниковых материалов, используемых для производства приборов и интегральных микросхем.

Современная технология обеспечивает получение бездислокационных монокристаллов полупроводников. Однако опыт использования таких материалов показал, что при этом резко возрастает роль точечных дефектов. Наличие таких дефектов приводит к ухудшению характеристик полупроводникового материала и деградации параметров приборов.

1.1. Типы точечных дефектов

Точечные дефекты – нарушения периодичности в изолированных друг от друга точках кристаллической решётки. К ним относятся вакансии (дефекты по Шоттки), дефекты типа «атом в междоузлии» (дефекты по Френкелю), примесные атомы (внедрения и замещения), радиационные дефекты и термодефекты (акцепторного и донорного типов). Все виды точечных дефектов принадлежат к равновесным дефектам, так

как они находятся в тепловом равновесии с решёткой кристалла.

Вакансии – это пустые узлы решётки. Вакансии в кремнии имеют акцепторный характер. Тесно связаны с вакансиями другие точечные дефекты – междоузельные атомы, которые являются донорными центрами. Как вакансии, так и атомы в междоузлии обладают довольно высокой подвижностью в монокристаллическом кремнии. В результате этого становится возможным их аннигиляция за счёт миграции к дислокациям и поверхностям, которые играют роль стоков для точечных дефектов; реализуется возможность образования комплексов вакансия – примесь, а также более крупных скоплений точечных дефектов – кластеров.

1.2. Кластеры точечных дефектов

При росте кристаллов кремния с очень низкой плотностью дислокаций возникает новый тип дефектов, которые, вероятно, характерны исключительно для полупроводниковых кристаллов и в настоящее время интенсивно исследуются. Эти дефекты можно наблюдать, например, с помощью избирательного травления; из-за малого размера их называют микродефектами. Картина распределения микродефектов в поперечном сечении кристалла обычно имеет вид спирали, поэтому её обычно называют свирл-картиной. Спиралевидное распределение микродефектов наблюдается на продольных и поперечных сечениях кристаллов, полученных как методом Чохральского, так и методом зонной плавки.

Впервые такие дефекты наблюдались при избирательном травлении пластин бездислокационного кремния. В них обнаружены дефекты, отличающиеся от дислокаций, дефектов упаковки, двойников, преципитатов и межзеренных границ; в результате травления выявлялись «некристаллографические ямки травления». Ямки не имеют определенной ориентации относительно кристалла или друг друга. Плоское дно

2

ямок указывает на вытравливание локализованных, приблизительно сферических дефектов.

Идентифицированы два типа микродефектов, отличающихся по размеру и концентрации. Микродефекты большого размера, названные А-дефектами, располагаются главным образом в областях, удалённых от поверхности кристалла и от краёв пластин. Микродефекты меньшего размера (В- дефекты) наблюдаются во всём объёме кристалла вплоть до его боковой поверхности.

Экспериментально (методами электронной микроскопии) установлено, что большинство кристаллографических дефектов в кремнии относится к дефектам типа внедрения, или междоузельного типа. В частности, А-дефекты представляют собой дислокационные петли междоузельного типа размером 1 – 3 мкм. Эти петли имеют различную, часто сложную форму. «Чистые» дефекты В-типа не удается наблюдать в просвечивающем электронном микроскопе, хотя декорированные примесями В-дефекты представляют собой очень маленькие петли размером 60 – 80 нм.

Межузельная природа дислокационных петель показывает, что формирование микродефектов связано с наличием избыточных собственных межузельных атомов кремния, или примесных атомов, а не вакансий. Избыточные собственные межузельные атомы могут объединяться в кластеры, образуя «элементарные» дефекты (В-дефекты), представляющие собой рыхлые трёхмерные группировки из межузельных атомов кремния и характеризующиеся очень маленьким полем напряжений.

Установлено, что распределение В-дефектов аналогично распределению примесей с малым коэффициентом сегрегации. В кремнии основными примесями, которые имеют коэффициент распределения меньше единицы и присутствуют в достаточно высокой концентрации, являются кислород и углерод. Таким образом, гетерогенное объединение собственных межузельных атомов кремния происходит с участием уг-

3