Дислокационные ямки травления в кристаллах кремния

Последние достижения в технологии кремния направили внимание на полупроводниковые приборы, в которых применяется кремний, а не германий. Так как известно, что дислокации неблагоприятно влияют на некоторые свойства полупроводников, то визуальный метод определения числа и распределения таких несовершенств имел бы, очевидно, практическое и научное применение. В настоящей работе представлены некоторые результаты исследования методов получения четко очерченных дислокационных ямок травления в кремнии.

Известно, что не все ямки травления, наблюдаемые в кристаллах, образуются в местах дислокаций. Поэтому, прежде чем метод выявления дислокационных ямок травления может использоваться надежно, необходимо показать, что получаемые этим методом ямки действительно образуются в точках, где дислокации выходят на поверхность. Так как теория приписывает дислокациям некоторые определенные свойства, то отсюда следует, что эти свойства должны проявляться в строении дислокационных ямок травления. Так, группы, свидетельствующие о границах под малыми углами, линии скольжения или полигонизованные блоки, а также поведение дислокаций, обусловленное их размножением при деформации или уничтожением при отжиге, могли бы однозначно определяться в соответствующих экспериментальных условиях.



Изучение кремния представляет ряд затруднений вследствие его относительной химической инертности и тенденции к образованию гидроокисных пленок на поверхности. Эти пленки устойчивы к плавиковой кислоте и поэтому должны быть устранены. Если нужно получить поверхность, достаточно ровную для металлографического исследования, то необходимо применять полирующий травитель, например смесь кислот HF и HNO3.

Наиболее удовлетворительным в настоящее время полирующим раствором является модифицированный СР-4, содержащий небольшое количество азотнокислой ртути, применение которой в аналогичном растворе было предложено Фаустом. Добавка ртутных ионов улучшает четкость ямок, слабо выявленных одним СР-4.

Состав травящего раствора следующий: 3 части HF (48%), 5 частей HNO3 (70%), 3 части ледяной уксусной кислоты, 2 части 3%-ного водного раствора Hg (НО3)2.

Для приготовления раствора азотнокислой ртути используется деионизированная вода, так как остаточные хлориды в некоторых дистиллированных водах могут вызывать осаждение хлорида ртути. Если произойдет осаждение, то добавление нескольких капелек уксусной кислоты переведет осадок в раствор. Количество воды, вводимое с азотнокислой ртутью, является максимально допустимым, так как избыток воды огрубляет протравленную поверхность.

Кристаллы ориентировались и шлифовались по плоскости {100} или {111}. Шлифовка производилась на стекле с применением карборундового порошка 600 меш. Несколько раз пытались проводить тонкую шлифовку на наждачной бумаге № 0000, но от этого в дальнейшем пришлось отказаться, так как требовалась дополнительная обработка, что невыгодно. Во многих случаях для обеспечения ровной поверхности оказалась полезной легкая предварительная полировка в СР-4, но этот процесс не обязателен. Погружение в травящий раствор на 2 мин. обычно дает четкую воспроизводимую картину ямок. Хотя во многих случаях удовлетворительные результаты были получены при применении свежеприготовленного травителя, было найдено, что лучшие результаты получаются после длительного выдерживания травителя (около 6 недель) в закрытой полиэтиленовой бутыли.



Чтобы показать, что ямки, полученные травлением, действительно являются местами выхода краевых дислокаций, образцы кремния, содержащие границы под малыми углами, были исследованы на L- и Т-пересечения, аналогичные пересечениям, которые были описаны для германия. На фиг. 1 показано Г-пересечение. Была вычислена длина отмеченной границы, линейная плотность дислокаций была найдена одинаковой в обеих ветвях (5,0*10в3 см-1 в А и 5,3*10в3 см-1 в Б) в пределах ошибки эксперимента. Так как такое соотношение плотностей справедливо для дислокаций, образующих границу под малым углом, то отсюда следует сделать вывод, что наблюдаемые ямки травления находятся в местах выхода краевых дислокаций.

На фиг. 1 можно видеть интересное явление, как ряд более слабых границ — теней проходит параллельно основным границам.

Иногда можно видеть 3 или 4 такие границы — тени, которые смещены в сторону и воспроизводят видимые на основной границе особенности строения. Это явление можно объяснить на основе предположения Геверса, что на дислокационных линиях при их прохождении через кристалл образуются пороги. Таким образом, если дислокационная линия проходит под плоскостью травления на расстоянии, большем, чем глубина ямки, то образуется полностью развившаяся ямка. Если, однако, дислокационная линия поворачивается и переходит в параллельное положение на более коротком расстоянии под плоскостью, то развивается неполная ямка. Это дает возможность объяснить наличие остаточных ямок травления или границ — теней.

Чтобы показать пример скользящих дислокаций, которые возникают при деформации, монокристаллические образцы с поперечным сечением 1,52х1,52 мм были изогнуты по осям [111] при повышенных температурах, после чего плоскости (111) были протравлены для выявления дислокаций. Эти результаты показаны на фиг. 2. Микрофотография на фиг. 2 с меньшим увеличением показывает распределение дислокационных ямок травления, характерное для изогнутого кристалла с низкой плотностью дислокаций вдоль нейтральной оси и возрастающей плотностью с увеличением расстояния от нейтральной оси. Такое распределение дислокаций было уже объяснено для германия, исходя из распределения напряжений при пластической деформации. Расположение дислокационных ямок травления вдоль следов плоскостей скольжения иллюстрируется при более высоком увеличении в верхнем правом углу фиг. 2.

Около концов изогнутого кристалла, где пластическая деформация уменьшается до нуля, наблюдаются случаи изолированного скольжения.

Одна такая линия скольжения после травления описанным выше методом показана на фиг, 3. Чувствительность этого метода измерения степени пластической деформации можно оценить, исходя из тех малых смещений (около 10в-6 см), которые должны сопровождать движение столь малого числа дислокаций.

Если ориентировка изгибаемого кристалла выбрана таким образом, чтобы получить одиночное скольжение, и деформация пpoисходит медленно и при высокой температуре, то возникают благоприятные условия для параллельно идущей полигонизации. Это явление особенно четко выражено в направлении к центру изогнутого прутка, так как именно здесь скапливаются краевые дислокации того знака, который сопровождает изгиб. Эта гомогенная группа дислокаций образует тогда под влиянием приложенного напряжения и температуры полигонизованные группы. Пример этого показан на фиг. 4. Видно, что следы линий скольжения проходят нормально к стенкам полигонизации, хотя имело место достаточное восхождение дислокаций из их плоскостей скольжения, так что произошло достаточно энергичное выстраивание дислокаций в полигонизованных стенках.

Иногда при травлении плоскостей {111} развиваются большие ямки CO спиральными террасами (фиг. 5). Такие ямки представляют особый интерес, потому что они указывают на дислокации с винтовой ориентацией. Высота ступеней равна примерно 1000 А; наблюдались спирали обоих вращений. Они аналогичны спиралям, которые выявляются в германии травителем Эллиса. Хотя нельзя считать доказанным, что эти спиральные ямки являются признаком винтовых дислокаций, никакого другого подходящего объяснения не было предложено. С другой стороны, если они являются частью дислокационной сетки кристалла, то вектор Бюргерса должен был бы равняться 10в-8 см, откуда следовало бы ожидать высоты ступеней того же порядка.