КАК УПРАВЛЯТЬ
ДЕФЕКТАМИ В КРИСТАЛЛАХ
В.Болотов,
профессор, директор Института
сенсорной
микрорэлектроники СО РАН
г. Омск
При стремительной миниатюризации элементов в твердотельной микро и
наноэлектронике и переходе к структурам с пониженной размерностью
все большее значение приобретает необходимость управления
реакциями между подвижными дефектами и примесями в твердых телах.
Анализу и перспективам инженерии дефектов посвящена статья
профессора В.БОЛОТОВА.
БЕЗ ДЕФЕКТОВ НЕТ РАЗНООБРАЗИЯ
Проблема получения материалов и структур с заданными
свойствами является общей проблемой материаловедения и, в
частности, материаловедения полупроводников. Важнейшие свойства
полупроводниковых материалов и структур на их основе определяются
наличием примесей и структурных несовершенств в кристаллах.
Достаточно упомянуть, что необходимые электрофизические,
оптические и др. свойства достигаются путем легирования --
введением соответствующих примесных атомов в момент роста
кристаллов, либо ионной имплантацией. Свободные носители заряда
-- электроны и дырки, атомы примесей, собственные дефекты
кристалла -- вакансии, междоузельные атомы, различные ассоциации
примесей и собственных дефектов решетки относятся к широкому
классу точечных дефектов. Другими дефектами кристаллов являются
линейные (например, дислокации), протяженные -- границы раздела
фаз в гетероструктурах, кластеры дефектов. Не во всех случаях
дефекты и примеси образуются и попадают в кристалл по воле
технологов, в ряде случаев это является следствием несовершенства
технологии -- оборудования и технологических режимов. В таких
случаях принято говорить о загрязняющих (часто остаточных)
примесях и ростовых дефектах. Процессы роста кристаллов и тем
более создание структур (диэлектрик-полупроводник, других
гетереструктур) далеки от условий термодинамического равновесия и
приводят к образованию неравновесных систем. Приход системы к
равновесию сопровождается образованием и взаимодействием точечных
дефектов, декорированием границ раздела, распадом твердых
растворов примесей в кристаллах и другими реакциями в кристаллах.
Необходимым условием для реакций в кристаллах является наличие
подвижных при данной температуре примесей и точечных дефектов.
Для наиболее используемых в практике полупроводников -- кремний и
германий подвижность вакансий и междоузельных атомов столь
велика, что они могут двигаться в кристалле при температуре
жидкого азота (78К), а междоузельный атом кремния, по данным
радиационных экспериментов, подвижен при температуре жидкого
гелия (4К). Из сказанного, в частности следует, что радиационные
воздействия на кремний, германий и структуры на их основе,
сопровождающиеся ионизацией и образованием пар Френкеля способны
стимулировать реакции "замороженные" в процессах роста и
формирования структур. Отсюда должно быть понятно, что набор
дефектов с одной стороны определяет свойства реальных кристаллов
и структур, а с другой стороны дополнительное введение
неравновесных точечных дефектов при радиационных воздействиях
(облучение -- квантами, высокоэнергетическими электронами,
ионами, нейтронами) способно существенно изменять как
термодинамическое состояние кристаллов и структур, так и их
важнейшие физические свойства.
Из сказанного следует, что необходимое разнообразие свойств
полупроводниковых материалов и структур для практических
применений достигается направленным введением тех или иных
дефектов и варьированием их концентраций. Безусловно "чистым"
методом введения дефектов являются радиационные воздействия,
вызывающие появление дефектных ассоциаций, способных кардинальным
образом изменить свойства материалов. В соответствии с этим
возникает задача минимизации радиационной деградации свойств
материалов и структур или проблема радиационной стабильности и
задача введения дефектов определенного типа и в нужной
концентрации с целью разработки радиационно-технологических
процессов. Для обеих фундаментальных задач общим является
необходимость управления радиационными процессами в твердых телах
или контролирование дефектно-примесных реакций.
УПРАВЛЕНИЕ РЕАКЦИЯМИ
В КРИСТАЛЛАХ
Многолетние исследования сибирских физиков в области
материаловедения и радиационной физики полупроводников позволили
создать стройную систему представлений о механизмах воздействия
внешних факторов на квазихимические реакции в твердых телах при
радиационных воздействиях, росте, технологических обработках
[В.В.Болотов, А.В.Васильев, Л.С.Смирнов. В кн. "Физические
процессы в облученных полупроводниках", Наука 1977; "Вопросы
радиационной технологии полупроводников", Наука, 1980; "A Survey
of Semiconductor Radiation Techniques", Mir Publishers,1982.
В.В.Болотов, В.А.Володин, М.Д.Ефремов, Г.Н.Камаев, В.А.Стучинский
и др. в журналах "Физика и техника полупроводников",
Sol.St.Phenom., Sol.St.Com., Thin Sol.Films, Phys.Stat.Sol. и
др., 1970--2000гг.]. К таким факторам относятся: характер
излучения, примесный и дефектный состав кристалла, температура,
ионизация, наличие электрических полей и упругих напряжений,
наличие внешних и внутренних границ раздела в гетероструктурах.
В зависимости от вида излучения в кристаллах формируются
отдельные точечные дефекты (вакансии и междоузельные атомы) или
их конгломераты (области разупорядочения). Это в свою очередь
определяет образование комплексов дефектов с примесями и
термическую стабильность наблюдаемых радиационных изменений
свойств.
Полупроводниковые кристаллы содержат различную концентрацию
остаточных примесей в зависимости от способов получения. В
частности, кремний выращенный различными методами -- методом
Чохральского и методом зонной плавки, содержит различную
концентрацию кислорода
(1018 и 1016см-3, соответственно) и
углерода (3-5·1017 и
5·1016см-3, соответственно), примесей
металлов. Термические обработки вызывают трансформацию состояний
примесей в кристаллах. Так возникают, в частности, преципитаты
кислорода в кремнии, что приводит к изменению эффективности
взаимодействия с подвижными точечными дефектами.
Безусловно, важным фактором, определяющим скорость и характер
реакций в кристаллах является температура. Температурная
зависимость определяется энергетическими параметрами образования
и распада дефектных ассоциаций, а в случае низких температур и
миграции дефектов.
Поскольку дефектно-примесные реакции протекают в том числе и
между заряженными частицам, очевидна при этом роль зарядовых
состояний дефектов. В частном случае это возникновение
кулоновского притяжения или отталкивания, дрейфа частиц в
электрических полях, изменение миграционных параметров. Ионизация
в кристаллах способна изменить заряд дефекта или примеси, а
значит изменить и эффективность реакций.
Как показали исследования, электрические поля, существующие в
приборных полупроводниковых структурах, существенно влияют на
концентрации дефектных ассоциаций в областях пространственного
заряда. При этом важным является как дрейф заряженных подвижных
точечных вакансий и междоузельных атомов, так и увеличение доли
исчезнувших при взаимной аннигиляции вакансий и междоузлий.
Упругие напряжения сопровождают создание гетероструктур и
образование инородных фаз при распаде пересыщенных растворов
примесей в кристаллах (например, кислорода в кремнии). В
проведенных нами исследованиях было установлено, что упругая
энергия изменяет энергетические параметры взаимодействия дефектов
и примесей, образования нанокристаллов в разупорядоченных слоях
кремния. Введение подвижных точечных дефектов в напряженные
структуры приводит к релаксации напряжений, а значит и к переходу
системы в более равновесное состояние. Аналогичный эффект
стремления системы кристалл--примесь к новому состоянию
равновесия при введении точечных дефектов наблюдается при
радиационных воздействиях на пересыщенные растворы легирующих
примесей в кремнии, что вызывает распад твердых растворов.
Приведенные в кратком изложении результаты научных исследований и
механизмы влияния внешних факторов на реакции в твердых телах
являются физической основой для управления реакциями в кристаллах
и свойствами материалов, базисом нового направления в
материаловедении полупроводников -- инженерии дефектов.
ИНЖЕНЕРИЯ ДЕФЕКТОВ --
ОСНОВА БУДУЩИХ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Современные технологии в материаловедении полупроводников
базируются на применении доступных методов управления
концентрациями ростовых дефектов и состояниями примесей. В
частности, к ним относятся геттерирование и пассивация дефектов.
Геттерирование -- процесс связывания в нейтральные ассоциации
подвижных, нежелательных примесей и дефектов на границах раздела,
образованных внешней поверхностью кристаллов или поверхностью
границ преципитатов (преципитатов кислорода в случае кремния).
Проблема, которую удалось решить, состояла в том, что обычно для
этого процесса требуются высокие температуры, поскольку
подвижность примесей при термических обработках низка и
лимитируется захватом на ловушки [В.В.Болотов, А.В.Васильев,
Л.С.Смирнов, ФТП, 1974, N 6]. Применив радиационные воздействия и
создав систему стоков в кристаллах, удалось получить эффективное
собирание такой примеси как золото на границе раздела SiO2-Si при
умеренных температурах и использовать этот эффект для снижения
деградации МОП-приборов при облучении. Впервые были получены
эффекты геттерирования собственно радиационных дефектов в
кремнии.
Пассивацией называется реакция примеси или дефекта со специально
введенным дефектом и примесью, сопровождающаяся образованием
нейтрального, в смысле влияния на ту или иную важную
характеристику материала или структуры, дефекта. Значительный
интерес вызывает пассивирующее влияние для самых разных
материалов атомарного водорода. Подвижные атомы водорода способны
взаимодействовать с большинством заряженных примесей и дефектов и
образовывать электрически нейтральные ассоциации. Подробные
исследования, проведенные для реакций водорода в системе
радиационных дефектов и легирующих примесей в кремнии, привели к
обнаружению эффектов пассивации радиационных дефектов, поэтапного
перераспределения атомарного водорода между ловушками при
радиационно-термических воздействиях. Применение данного метода
инженерии дефектов позволило впервые создать
высокочувствительные фотоприемные матрицы на основе так
называемых структур с блокированной прыжковой проводимостью по
примесной зоне (BIB-детекторы) [В.В.Болотов, Г.Н.Камаев,
Г.Н.Феофанов,В.М.Эмексузян. ФТП, 1997, N 3]. Сущность процесса
состоит в формировании на сильнолегированном фотоактивном объеме
фотопроводника путем пассивации легирующей примеси атомарным
водородом высокоомного слоя, блокирующего прыжковый транспорт
носителей по примесной зоне и снижающем таким образом темновые
токи в структуре.
Активная матрица для управления жидкокристаллическим экраном
на основе структуры поликремний -- стеклянная подложка,
полученная с использованием импульсных термических воздействий
излучения эксимерного лазера. Справа приведен увеличенный
фрагмент матрицы.
|
Необходимость комплексного применения методов инженерии дефектов
возникла при формировании поликристаллического кремния на
стеклянных подложках для создания активных матриц для управления
жидкокристаллическими плоскими экранами, дисплеями, индикаторами
-- перспективного направления так называемой гигантской
микроэлектроники. Суть проблемы состояла в том, чтобы создать
крупноблочный поликристаллический слой из нанесенного на стекло
аморфного слоя кремния при температуре не превышающей 300oС
(температура размягчения стекла). С этой целью были применены
нестационарные обработки импульсным (5 нсек) излучением
эксимерного лазера ХеСl, формирующие контролируемую концентрацию
нанокристаллов -- зародышей кристаллической фазы. С целью
подавления спонтанного зародышеобразования на дефектах и примесях
границы раздела пленка-подложка и на поверхности пленки
применялось легирование пленки примесью германия и водорода.
Специальная обработка позволяла вести кристаллизацию аморфной
пленки из необходимого числа созданных нанокристаллов -зародышей
кристаллической фазы. В результате были получены
высококачественные пленки поликристаллического кремния,
позволившие создать активные матрицы для управления
жидкокристаллическими экранами и планировать создание широкого
класса других приборов: сенсорных матриц, матриц для регистрации
рентгеновского излучения для применения в медицине и др.
Представляется целесообразным работы по исследованиям,
направленным на создание рентгеновских матриц и
жидкокристаллических экранов на основе данного задела, провести в
рамках интеграционного проекта СО РАН.
Одним из перспективных направлений для применения методов и
результатов исследований в области управления процессами
взаимодействия между дефектами и реакциями в кристаллах является
проблема получения монокристаллического кремния большего диаметра
и повышенной чистоты, а также структур на его основе. Так, в
частности, существует проблема управления концентрацией и набором
электрически активных дефектов в том числе и с мелкими уровнями в
запрещенной зоне, так называемых термодоноров и термоакцепторов.
К ним относятся дефектные ассоциации, в состав которых входят
атомы кислорода и атомы водорода. Разработка условий минимизации
их концентраций при росте и путем последующих термических
обработок, анализ последствий таких обработок, несомненно, задача
инженерии дефектов. Еще больше возможностей для применения
методов воздействия на дефектно-примесную структуру имеется при
получения структур "кремний-на-изоляторе" (КНИ), перспективных
для наноэлектроники, микросенсорики и силовой электроники. В
частности, при формировании таких структур методом прямого
сращивания пластин кремния и получении тонких отсеченных слоев
кремния на диэлектрике возможно снижение дефектности границы
сращивания, применение более эффективных методов получения
отсеченных слоев кремния толщиной менее микрона в технологии
"smart cut". Несомненно заманчивы перспективы применения методов
инженерии дефектов в молекулярно-лучевой эпитаксии.
Заключая данный краткий анализ, можно с уверенностью сказать, что
управление атомарными процессами на границах раздела,
дефектно-примесными ракциями в материалах и структурах становится
одним из главных направлений в современном материаловедении.
стр.
|
