1.5. Дефекты эпитаксиальных структур

.

Следующая важная задача технологии однослойных эпитаксиальных структур элементарных полупроводников — создание условий, обеспечивающих их максимальное структурное совершенство. По геометрическому признаку дефекты структуры эпитаксиальных слоев разделяют на поверхностные и объемные. Первые, выявляемые визуальным осмотром освещенной поверхности, составляют основную долю брака, так как являются результатом не только нарушения технологии эпитаксиального наращивания, но и предыдущей технологии подложек (резки, шлифовки и полировки). Общее количество различных поверхностных дефектов доходит до 20. Название их во многих случаях взято из производственной практики: «сыпь», «рябь», «апельсиновая корна», «рельеф» и др.

Наиболее распространенными поверхностными дефектами эпитаксиальных структур являются бугорки, сыпь (мелкие трипирамиды) и ступеньки сдвига (линии скольжения). Появление бугорков (см. рис.1.11, а), как и других локальных неровностей поверхности эпитаксиального слоя (ямок и выступов), обусловлено наличием на поверхности инородных частиц, изменяющих механизм роста эпитаксиального роста. Это подтверждается повышенным со держанием в бугорках примесей углерода, кислорода, азота и др. Высота бугорков колеблется в широких пределах — от 1,5 до 20 мкм, а плотность достигает 10³ см^-2.

Рисунок 1.11 – Дефекты структуры эпитаксиальных слоев кремния [11]: а ‑ бугорок; б —трипирамида; в — ступенька сдвига (линия скольжения); г — дефекты упаковки, 100 (а, б), 2 (в). При печати в, г уменьшены до ~¹/₅

Звездообразные, состоящие из трех пирамид выступы (рис. 1.116) — так называемые трипирамиды, возникают на поверхности эпитаксиального слоя в результате сложного двойникования. Встречаются также выступы, состоящие из одной или из двух пирамид. При большой плотности пирамиды различных типов, пересекаясь, образуют пирамидальные дефекты сложной формы. При большой плотности мелких пирамид они выглядят на поверхности эпитаксиального слоя, как сыпь. Области слоя в окрестностях пирамид содержат различные дефекты структуры: двойниковые ламели, дефекты упаковки и др. Как уже говорилось, пирамиды зарождаются тогда, когда скорость адсорбции атомов полупроводника на поверхности подложки превышает скорость их встраивания в кристаллическую решетку. Они образуются также на кристаллографических и механических дефектах подложки, на частицах загрязнений.

Ступеньки сдвига (линии скольжения) проявляются на поверхности эпитаксиального слоя в виде рельефных линий, располагающихся параллельно следам пересечения плоскостей (111) с поверхностью слоя (рис. 1.1в). Чаще всего они зарождаются у краев подложки, хотя встречаются и в центральной части слоя. Высота их колеблется от 0,05 до 0,15 мкм. Основной причиной этого вида поверхностных дефектов является неравномерное распределение термоупругих напряжений по толщине и поверхности подложки, обусловленное неравномерным ее нагревом вследствие плохого прилегания изогнутой подложки к подлож-кодержателю, неравномерного нагрева подложки и отвода тепла от нее и т. п. Помимо величины и характера распределения термоупругих напряжений в объеме эпитаксиального слоя, вероятность образования в нем ступенек сдвига зависит и от ориентации растущего эпитаксиального слоя. Так, в слоях, ориентированных по (100), она на 25 % больше, чем в слоях, ориентированных по (П1).

Термоупругие напряжения в эпитаксиальном слое служат причиной возникновения такого распространенного объемного дефекта структуры, полупроводников, как дислокации. Плотность их даже в случае осаждения эпитаксиального слоя на бездислокационной подложке доходит до 510³ см^-2. -Другой причиной образования дислокаций являются напряжения, возникающие в эпитаксиальном слое в результате различия периодов решеток его и подложки, легированных различными примесями или одинаковыми, но в различных концентрациях. Называемые дислокациями несоответствия они представляют собой 60°-ные дислокации, лежащие в направлениях пересечения плоскостей скольжения (111) с плоскостью роста эпитаксиального слоя. Наличие в эпитаксиальном слое концентраторов напряжений, которыми служат включения второй фазы, также усиливает генерацию дислокаций несоответствия. При увеличении толщины эпитаксиального слоя различные типы дислокаций, взаимодействуя между собой, образуют дислокационные стенки.

Дефекты упаковки почти всегда присутствуют в объеме эпитаксиальных слоев и чаще всего возникают на границе раздела подложка — слой или вблизи нее (рис.1,12). В начальной стадии развития они представляют собой небольшие области с неправильным чередованием атомных слоев. Далее по мере утолщения эпитаксиального слоя они, развиваясь, образуют тетраэдр. Пересечение его граней с плоскостью роста слоя имеет вид на плоскости (111) равностороннего треугольника (рис. 1.11г), на (100) — квадрата и на (110) — прямоугольника, выявляемых химическим травлением. 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.).

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

Рисунок 1.12 – Дефекты упаковки [6]: линейные (DE) и треугольные (АВС), N — зародышевая точка образования дефектов

Для тех, кто хочет более глубоко изучить дефекты эпитаксиального слоя, можно порекомендовать работу [3].