Объемные дефекты (справка)

Одним из проявлений трехмерных нарушений в кристаллической решетке являются микродефектыи преципитаты (фаза, в которой выделяются примесные атомы, в случае превышения уровня растворимости в веществе при данной температуре).

При росте кристаллов кремния с очень низкой плотностью дислокаций возникает тип дефектов, которые, вероятно, характерны исключительно для полупроводниковых кристаллов и в настоящее время интенсивно исследуются. Из-за малого размера их называют микродефектами.

Картина распределения микродефектов в поперечном сечении кристалла обычно имеет вид спирали, поэтому ее называют swirl-картиной. Swirl по-английски означает "воронка, спираль". Swirl-картина обнаруживается и в кристаллах выращенных по методу Чохральского и в кристаллах зонной плавки независимо от их кристаллографической ориентации.

Впервые такие дефекты наблюдались при избирательном травлении пластин бездислокационного кремния. В них обнаружены дефекты, отличающиеся от дислокаций, дефектов упаковки, двойников, преципитатов и межзеренных границ. Они давали фигуры травления, названные "некристаллографическими" или "пустыми" ямками травления. Некристаллографические ямки не имеют определенной ориентации относительно кристалла или друг друга. Они имеют плоское дно и, следовательно, обусловлены вытравливанием локализованных, приблизительно сферических дефектов, отличных от дислокаций, которые являются линейными дефектами и дают при травлении "глубокие" ямки в местах своего выхода на поверхность.

В исследованных кристаллах с помощью рентгеновской топографии и избирательного травления были идентифицированы два типа микродефектов, отличающихся по размеру и концентрации. Микродефекты большого размера, названные А - дефектами, располагаются главным образом в областях, удаленных от поверхности кристалла и от краев пластин. Микродефекты меньшего размера (В - дефекты) наблюдаются во всем объеме кристалла вплоть до самой боковой его поверхности.

Образование вакансионно-кислородных комплексов. В отсутствии большой плотности дислокаций быстрое охлаждение кристалла от температуры плавления будет приводить к пересыщению кристалла этими дефектами. Верхний предел равновесной концентрации вакансий в кремнии составляет 9·10¹⁵ см^-3, а нижний - величину 2·10¹³ cм^-3. Вакансии в кремнии имеют довольно низкую величину энергии миграции.

Коэффициент диффузии D_n вакансий задается выражением:

,

где g - геометрический фактор; а - длина элементарного скачка; n - частота скачков; En - энергия миграции вакансий.

Вследствие низкой величины энергии миграции вакансии коэффициент диффузии почти не зависит от температуры и избыточные вакансии стремятся к объединению в кластеры, являющимися теми первичными, элементарными дефектами, на основе которых впоследствии возникают микродефекты.

В одной из моделей предполагается, что образование swirl-дефектов происходит путем агломерации избыточных вакансии с атомами кислорода. При охлаждении кристалла сначала образуются различные комплексы вакансия - кислород. Некоторые из них вырастают до достаточно больших размеров и начинают действовать как центры конденсации дополнительного количества вакансий.

Что касается преципитатов, то их наличие, например, фазы SiO₂ в Si приводит к образованию механических напряжений и, следовательно, возможному появлению микротрещин.