NIEKTÓRE DEFEKTY OBSERWOWANE W HOMOEPITAKSJALNYGH WARSTWACH KRZEMO SPIEKANE PODKŁADKI KOMPENSACYJNE WNICu IDO TYRYSTORÓW MAŁEJ MOCY -Itr-', Nr 1 (7)
. ^?. i V*^ i'i, Î T ' H
OŚRODEK NAUKOWO-PRODUKCYJNY MATERIAŁÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH Elżbieta NOSSARZEWSKA-ORŁOWSKA, Marta PAWŁOWSKA NIEKTÓRE DEFEKTY OBSERWOWANE W HOMOEPITAKSJALNYCH WARSTWACH KRZEMU Marek LEJBRANDT, kozlmierz KALISZUK, Wanda OSOWSKA SPIEKANE PODKłADKI KOMPENSACYJNE WNiCu DO TYRYSTORÓW MAŁEJ MOCY Wydawnictwa Przemysłu Maszynowego WEMA
KOLEGIUM REDAKCYJNE Redaktor Naczelny: Bolesław Jakowlew Z-ca Redaktora Naczelnego: Paweł Drzewiecki Redaktorzy działowi: Jan Bekisz Bohdan Ciszewski Zenon Horuisała Andrzej Hruban Czesław Jaworski Edward Szabelski Andrzej Taczanowski. Władysław Włosiński Sekretarz Redakcji: Katarzyna Adamiak-Lenartowicz Adres Redakcji: 'Warszawa, ul. Konstruktorska 6, tel. 43-74 -61 Do użytku służbowego WEMA -1 l)(h25-1067/7a -Z/C Dtuk.WE MA-105/76
Elżbieta NOSSARZEWSKA-ORŁOWSKA Marta PAWŁOWSKA Zakład Epitaksi? NIEKTÓRE DEFEKTY OBSERWOWANE W HOMOEPITAKSJALNYCH WARSTWACH KRZEMU Defekty występujące w epitaksjalnych warstwach krzemu były wielokrotnie opisywane w literaturze. Obserwacja warstw epitaksjalnych otrzymywanych w różnych warunkach prowadzenia procesu wzrostu, na podłożach o różnej orientacji, wykazuje że kształt defektów w wielu przypadkach znacznie odbiega od klasycznych przykładów spotykanych w monografiach. Podstawą do interpretacji przyczyn powstawania defektów strukturalnych w narastającej warstwie jest znajomość mechanizmu wzrostu epitaksjalnego. Badania nad mechanizmem zarodkowania i wzrostu homoepitaksjalnych warstw krzemu potwierdzają model zaproponowany przez W.K.Burtona, N.Cabrera i F.C.Franka l], który zakłada, że atomy sq wbudowywane do narastającej warstwy w uprzywilejowanych miejscach na powierzchni, takich jak monoatomowe stopnie, krawędzie i uskoki. Zastosowanie techniki rozkładu monomolekularnej wiązki silanu na nagrzanym podłożu 2 oraz metody "sputtering" 3,4,5 w warunkach UHV umożliwiły bezpośrednią obserwację w elektronowym mikroskopie transmisyjnym rozwoju reliefu tarasowatej powierzchni narastającej warstwy krzemu z wyraźnym bocznym wzrostem mikro - i makrostopni. Ciągłym źródłem mikrostopni na powierzchni krzemu są dyslokacje 6]. W przypadku typowego procesu epitaksji krzemu na krzemie obecność stopni jest zapewniona przez celowo wprowadzoną dezorientację podłoża w stosunku do płaszczyzny 111 7 Przeprowadzone eksperymenty wykazały 7j, że przesuwanie się stopni jest ściśle ukierunkowane i na powierzchni -[l 11 szybkość wzrostu bocznego w kierunku O 12'> w temperaturze powyżej 1200 C sięga kilkaset mikrometrów na minutę, natomiast jednoczesny wzrost w kierunku prostopadłym do powierzchni 111 wynosi zaledwie 3
kilkaset angstremów na minutę i zwiększa się do 1 ym/min przy wprowadzeniu odchylenia od płaszczyzny (l 11). Przez autorów zostały przeprowadzone procesy epitaksji krzemu na płytkach podłożowych ciętych dokładnie w płaszczyźnie (l 11) /odchylenie w granicach - 10'/. W otrzymanych warstwach wystąpiły defekty, których nie obserwuje się w przypadku wprowadzenia celowej dezorientacji płytek podłożowych. 1. Cienie błędów ułożenia /stacking faults shadows/ Na rys. 1 i 2 przedstawiono defekty, które wystąpiły w warstwach epitaksjalnych o rezystywności ok. 10i2cm domieszkowanych borem, na podłożu o rezystywności ok.0,0l 2.cm domieszkowanym borem. Warstwy otrzymano w urządzeniu do epitaksji a/ pow. 100x b/ pow. 264x Rys. la,b.defekty w warstwie epitaksjalnej w kształcie podłużnych wgłębień - cienie błędów ułożenia /kontrast interferencyjny/ a/ pow. 100x/I<ontr. interf./ b/ pow.23qxaontr.fazowy/ Rys. 2a,b. Cienie błędów ułożenia po wytrawieniu 4
w u k ł a d z i e p i o n o w y m, w którym kiettjnek p r z e p ł y w u gazów r e a k c y j n y c h jest p r o s t o padły do p o w i e r z c h n i p ł y t e k. Proces e p i t a k s j i prowadzony b y ł dwustopniowo: z a p o c z ą t k o w a n i e wzrostu w temperaturze 1150 C / o d c z y t na pirometrze bez k o r e k t y / i dalszy wzrost w temperaturze o b n i ż o n e j o 100. Szybkość wzrostu warstwy w wyso k i e j temperaturze b y ł a 0, 8 5 j u m / m i n, a w temperaturze o b n i ż o n e j 0, 6 jjm/min. N a r y s. l w i d a ć podłużne w g ł ę b i a n i a w w a r s t w i e, ułożone równolegle do s i e b i e. Trawienie w mieszaninie kwasów chromowego i fluorowodorowego u j a w n i a, iż każde w g ł ę b i e n i e zapoczątkowane jest przez błąd u ł o ż e n i a / r y s - 2 /. Gęstość p o w i e r z c h n i o wa d e f e k t ó w z a l e ż y od czystości i stanu p o w i e r z c h n i podłoża w t a k i sam sposób, jak gęstość błędów u ł o ż e n i a. Rozmiary z a g ł ę b i e n i a dla warstwy o grubości 10 j j m d o c h o d z ą do 1 x 0, 1 mm, a ich głębokość jest od k i l k u d z i e s i ę c i u do k i l k u s e t angstremów. N i s k a temperatura wzrostu sprzyja ich powiększaniu s i ę. W miarę narastania warstwy k s z t a ł t w g ł ę b i e n i a ulega z m i a n i e w zależności od kąta d e z o r i e n t a c j i p ł y t k i p o d ł o ż o w e j, Im mniejszy jest ten k ą t, t z n. im b l i ż e j o r i e n t a c j i [ l l l ] są p o c i ę t e p ł y t k i, tym w y d ł u ż e n i e w g ł ę b i e n i a jest w i ę k s z e. J e ż e l i nawet gęstość błędów u ł o ż e n i a pozostaje w g r a n i c a c h o g ó l n i e p r z y j ę t y c h d l a warstw e p i t a k s j a l n y c h, c z y l i jest p o n i ż e j 100 cm -2 to p o j a w i e n i e się w g ł ę b i e ń d y s k w a l i f i k u j e p ł y t k ę. N a rys.3 pokazane są szkice w g ł ę b i e ń p r z e d s t a w i o n y c h na r y s. l i 2. N a szkicu zaznaczono k i e rc i k i [ o T o ] i [ i r 2 ]. N a rysunku w i d a ć, że w g ł ę - b i e n i e r o z w i j a się właśnie w tych d w ó c h k i e r u n k a c h k r y s t a l o g r a f i c z n y c h, przy czym przeważa w y d ł u ż e n i e w k i e r u n k u [ o T o ]. Usytuowanie i k s z t a ł t w g ł ę b i e n i a z a l e ż y od charakteru b ł ę d u u ł o ż e n i a - z a m k n i ę t y t r ó j k ą t, V - k s z t a ł t, p o j e d y n c z y bok t r ó j k ą t a. W każdym przypadku jednak jest ono ograniczone k i e r u n k a m i [010] i [1T2]. W l i t e r a t u r z e nie ma jednoznacznej i n t e r p r e t a - R y s. 3. S z k i c c i e n i a błędu u ł o ż e n i a w warstwie e p i t a k s j a l n e j c j i mechanizmu powstawania w g ł ę b i e ń w sąsiedzt w i e błędów u ł o ż e n i a. Wysunięto przypuszczenie [ 8 ], że powstanie w g ł ę b i e n i a wyraża 5
tendencję sieci do obniżenia energii swobodnej - naprężenia wprowadzone praez błąd ułożenia sq równoważone przez składowe naprężeń odsłoniętych płaszczyzn wgłębienia. Druga interpretacja opiera się na koncepcji bocznego wzrostu mikro - i makrostopni [9]. Zakłada ona, że narastający od podłoża błąd ułożenia utrudnia dwuwymiarowy wzrost warstwy w określonych kierunkach krystalograficznych. Tym tłumoczy się fakt, że wgłębienia są zawsze jednakowo ukierunkowane. loofj Rys.4. Defekty w kształcie podłużnych wgłębień na powierzchni Si po trawieniu w HCI w temp. n920c [10] Wydaje się, że w interpretacji należy uwzględnić jeszcze jedną możliwość. Kształt opisywanych defektów jest zbliżony do wgłębień powstających podczas trawienia płytek podłożowych w mieszaninie HCL i H2 w temperaturze ok. 1200 C, przy dużym stężeniu HCL /rys.4/1 10. Mechanizm trawienia krzemu monokrystalicznego jest analogiczny do mechanizmu wzrostu epitaksjalnego i szybkość trawienia zależy od kierunku krystalograficznego w taki sam sposób, jak wzrost. Wobec odwracalności reakcji: SiCl^ +2H2=^4 HCl +Si powiększenie się wgłębienia towarzyszącego błędowi ułożenia może być spowodowane bardziej intensywnym, ukierunkowanym trawieniem tego obszaru. 6
2. Obszary przyspieszonego wzrostu z w i ą z a n e z b ł ę d a m i u ł o ż e n i a W warstwach typu p / p ^ zaobserwowano r ó w n i e ż inny rodzaj defektów zwi<;panych z b ł ę d a m i u ł o ż e n i a. Są to obszary przyspieszonego wzrostu o rozmiarach d o c h o d z ą 2 c y c h do 1 mm / r y s 5 a /, Trawienie w mieszaninie kwasów: chromowego i f l u o r o w o d o - rowego u j a w n i ł o, że w w i e r z c h o ł k u t a k i e g o w z n i e s i e n i a leży błąd u ł o ż e n i a / r y s. S b /. Błąd ten może spełniać rolę centrum zarodkowego przyspieszonego w z r o s t u. V R y s, 5. a, b. O b s z a r y przyspieszonego wzrostu z w i ą z a n e z błędami u ł o ż e n i a /1<ontrast interf./ a / przed t r a w i e n i e m, p o w. 2 6 4 x b / po t r a w i e n i u, p o w. 2 6 4 x Przypuszcza się [ l l ], że bezpośrednią p r z y c z y n ą powstania t a k i e g o d e f e k t u jest d y s l o k a c j a CŁęściowa S h o c k l e y ' a - H e i d e n r e i c h a, k t ó r ą zakończony jest błąd u ł o ż e n i a. 3. Obszary przyspieszonego wzrostu nie z w i ą z a n e z błędami u ł o ż e n i a Obszary przyspieszonego wzrostu o wymiaraęh d o c h o d z ą c y c h do k i l k u mm 2 obserwo- wano w warstwach typu n / n ^, osadzonych na p ł y t k a c h p o d ł o ż o w y c h c i ę t y c h d o k ł a d n i e w płaszczyźnie f l l l ) /rys 6 a, b /. Warstwy domieszkowane fosforem do rezystywności o k. l O f i c m na niskorezystywnym podłożu domieszkowanym antymonem otrzymywano w urządzeniu do e p i t a k s j i z r e a k t o rem p o z i o m y m, w k t ó r y m kierunek p r z e p ł y w u gazu jest równoległy do p o w i e r z c h n i p ł y t e k. Proces wzrostu prowadzony b y ł w temperaturze 1 1 5 0 C / bez korekty wskazań p i r o m e t r u /, z szybkością o k. 1 ^m/min. W miarę podwyższania temperatury wzrostu warstwy / d o 1 3 5 0 C / g ę s t o ś ć o m a w i a nych d e f e k t ó w w y r a ź n i e m a l a ł a, natomiast po o b n i ż e n i u temperatury wzrostu do 1100 C 7
cała powierzchnia płytki była pokryta przez nachodzące na siebie defekty. Pewna poprawa jakości powierzchni następowała przy zmniejszeniu szybkości wzrostu warstwy na skutek zmniejszenia stężenia SiCl4 w strumieniu wodoru. Obserwacje obszarów przyspieszonego wzrostu na warstwach typu n/n poprzez trawienie nie ujawniły powiązania ich z błędami ułożenia, jak w przypadku opisanych poprzednio defektów. Ich kształt sugeruje, że obszary te powstają w wyniku bliźnio- Rys.6a,b.Obszary przyspieszonego wzrostu nie związane z błędami ułożenia a/pow.30x b/ pow.100x /kontr, interf./ kowania, które może wystąpić w przypadku braku stabilnych położeń na ściankach 111. Prowadzi to do niedopasowania zarodków tzw. "misgrowth". Defekty tego rodzaju obserwuje się wyłącznie na płytkach ciętych dokładnie w płasz czyźnieclll). 4. Wnioski Przedstawione defekty krystalograficzne mają wspólną cechę - występują one na płytkach ciętych dokładnie w płaszczyźnie ( 111). Na tak otrzymanej powierzchni ilość mikrostopni, a zatem także ilość stabilnych położeń dla wbudowanych atomów jest ograniczona. Aby zaadsorbowany atom na drodze dyfuzji powierzchniowej dotarł do stopnia, potrzebny jest czas t, określony przez wyrażenie [S]: y2 t = 8
gdzie: Y^ -odległość pomiędzy stopniami na powierzchni (ill) ; dla stosowanego najczęściej kąta dezorientacji 2 odległość ta jest loor; D - współczynnik dyfuzji atomu Si po powierzchni (111) krzemu; D w wąskim s s zakresie temperatur, stosowanym w doświadczeniu zależy eksponencjalnie od tej temperatury poprzez czynnik Boitzmana. Na podstawie tych relacji łatwo zrozumieć, że podwyższenie temperatury podłoża powoduje zmniejszenie gęstości omawianych defektów, natomiast wprowadzenie celowej dezorientacji od płaszczyzny (ill) pozwala praktycznie na ich eliminację. LITERATURA 1. W.K-Burton, N. Cabrera, F.C.FrtJnk., Phil. Trans. Roy. Soc., 2-3A. 299, 1950. 2. B.A.Joyce., J. Crystal G r o w t h. 4 3, 1968. 3. H.C.Abbink, R.M.Brandy, G.P.McCarthy., J. Appi. Phys., v.39 10, 4673, 1968. 4. O.P.Pchelyakow, R. N.Lovyagin, A.I.Toropor, S.I.Stenin., Phys. Status Soiidi/a/,1, 547, 1973. 5. L.N.Aleksandrów, R. N.Lovyagin., Thin Sol. Films, 20, 1, 1974. 6. F.C.Frank., Disc. Faraday Soc,, 115, 664, 1949. 7. J.I.Nishizawa, T,Teresaki., J. Crystal Growth, J7, 241, 1972. 8. C.M.Drum, C.A.Clark., J. Electrochem. Soc., RS, 664, 1968. 9. H.Sunami, T.Teresaki, N.Miyamoto, J.Nishizawa., J. Appl. Phys. V.40, 10, 4670, 1969. 10.Th.J.M.Kuijer, L.J.Giling, J.Bloem., J.Crystal Growth, v.22,_l 29, 1974. 11.M.Shimbo, T.Teresaki, J.Nishizowa., J.Appl. Phys., v.42,1, 487, 1971.