Осаждение примесей на дислокациях в термически обработанном кремнии

Мы провели серию термических обработок кремния и получили данные, которые указывают на осаждение примесей на дислокациях при нагреве кремния ниже 900°. Мысль о том, что примеси могут скапливаться на дислокациях ниже определенной критической температуры, была высказана в работе Коттрелла. Ta же идея была использована Куртцем и Куликом для объяснения взаимодействия примесей с дислокациями в германии и Мейбургом для объяснения взаимодействия дислоцированных атомов германия с дислокациями в германии.

Использованные монокристаллы кремния были вытянуты из кварцевого тигля. Удельное сопротивление кремния р-типа до термической обработки составляло приблизительно 8 ом*см. Образцы нагревались в высоком вакууме путем пропускания через них тока; влияние термической обработки определялось путем закалки и изучения изменения проводимости при комнатной температуре. Методика эксперимента была аналогична методике, использованной ранее для изучения термической обработки германия.

Всякие изменения проводимости о при комнатной температуре можно связать главным образом с изменениями концентрации акцепторов NA или доноров ND. Так как проводимость равна



где е — заряд дырки, а — дырочная подвижность, то необратимые изменения о могут соответствовать или непрерывному увеличению, или уменьшению концентрации или акцепторов, или доноров в образце в процессе термической обработки. В нашей экспериментальной аппаратуре удаление примесей из образца возможно лишь за счет испарения. Поэтому всякое наблюдавшееся необратимое изменение проводимости было результатом потери или акцепторов, или доноров.

Приблизительно при 1100°, а также около 1300° мы наблюдали необратимое увеличение проводимости образца р-типа, равное 100 и 25% соответственно. Тот факт, что это увеличение происходит при двух характеристических температурах, приводит к предположению о наличии в этом кристалле р-типа по крайней мере двух донорных примесей, которые могут испаряться из кремния.

Мы нашли, что при нагреве образца выше и ниже 900° его проводимость при комнатной температуре соответственно увеличивается или уменьшается почти обратимо. При невысоких температурах термической обработки есть основание ожидать, что примеси n-типа будут собираться около краевых дислокаций, поскольку при взаимодействии между краевыми дислокациями и примесными атомами энергия поля напряжений может уменьшаться вокруг дислокации. Если образец обрабатывается при достаточно высокой температуре, то эти примеси термически возбуждаются, преодолевают энергетический потенциальный барьер дислокации и равномерно распределяются по всему кристаллу. Мы нашли, что проводимость образца падает вследствие компенсации этих примесей n-типа. Мы полагаем, что примеси р-типа, образующие, по-видимому, твердые растворы замещения, неподвижны. Если мы отожжем теперь кристалл при температуре ниже 900°, то термическая энергия примесей будет недостаточна, чтобы предотвратить их сегрегацию на дислокациях, и мы обнаружим, что проводимость возвращается к своему первоначальному или к несколько более высокому значению. Описанный выше цикл не является замкнутым, потому что невозможно нагреть образец до температур, близких к 1100°, без некоторого испарения примесей. Если бы небыло вовсе испарения примесей, то их поток к краевым дислокациям и в обратном направлении был бы полностью обратимым процессом.

Основное сходство между конденсацией примесей и дислоцированных атомов германия на дислокациях в германии и конденсацией примесей на дислокациях в кремнии состоит в том, что критическая температура конденсации примесей на дислокации, равная для кремния 900°, соответствует температуре, при которой впервые можно наблюдать пластическую деформацию в кремнии. Аналогично температура, при которой дислоцированные атомы германия и примеси, подобные меди, выделяются на линиях дислокаций в германии, равна приблизительно 500°, что соответствует температуре, при которой пластическая деформация в германии становится заметной. Это соответствие подтверждает предположение, высказанное Зейтцем, о том, что блокирование дислокаций примесными атомами в германии и кремнии может быть доминирующим процессом, определяющим пластические свойства этих полупроводников.