Дефекты кристалла
Кристаллическая решетка. Полупроводники, как правило, — твердые тела с регулярной кристаллической структурой — монокристаллы. Их кристаллическая решетка состоит из множества повторяющихся и примыкающих друг к другу элементарных ячеек той или иной формы и размера. В случае простейшей кубической решетки (Ge, NaCl и др.) ребро элементарной ячейки - куба - есть постоянная решетки а (0,4-0,6 нм). Кубическая решетка типа алмаза (Si, Ge) состоит из тетраэдров (рисунок 1.2); расстояние между смежными атомами около 0,25 нм.
Рисунок 1.2 – Структура кристаллической решетки типа алмаза
Связь атомов в кристаллической решетке кремния и ряда других полупроводников обусловлена специфическими обменными силами, возникающими в результате по парного объединения валентных электронов у смежных атомов. Такая связь (при которой каждый из атомов остается нейтральным) называется ковалентной или просто валентной. Регулярность (периодичность) структуры кристалла приводит к зависимости его свойств от направления в кристаллической решетке - к анизотропии. Оценивать направление, т.е. «ориентироваться» в кристаллической решетке принято с помощью кристаллографических плоскостей. Эти плоскости обозначают трехзначными индексами Миллера. Для обозначения индексы Миллера заключают в круглые скобки: (111), (100) и т.п.
Происхождение индексов Миллера показано на рисунке 1.3, а применительно к простейшей кубической решетке. Отрезки, отсекаемые данной плоскостью на осях координат, измеряют в единицах постоянной решетки: х = la, у = ma, z = na, где l, m, n - целые числа. Затем обратные величины l-1, m-1, n-1 приводят к общему наименьшему знаменателю, и знаменатель отбрасывают; тогда числители образуют индексы Миллера для данной плоскости.
Заметим, что каждой кристаллографической плоскости свойственна своя плотность атомов на единицу площади. Например, если «посмотреть» на кристалл с кубической решеткой перпендикулярно плоскостям (100), (110) и (111), то расположение атомов в поле зрения будет таким, как показано на рисунке 1.3, б (для ясности узловые атомы пронумерованы). Наибольшая плотность атомов соответствует плоскости (111), наименьшая — плоскости (100). У кремния плоскость (111) является плоскостью спайности: по ней, как правило, распространяются трещины, и происходит раскалывание кристалла.
а – происхождение индексов Миллера;
б – расположение атомов в кристаллографических плоскостях
Рисунок 1.3 – Кристаллографические плоскости
Для разных кристаллографических плоскостей оказываются разными многие свойства и параметры кристалла: оптические свойства, скорость травления и др. Поэтому пластины для изготовления ИС шлифуют точно по заранее заданной кристаллографической плоскости.
Искажения кристаллической решетки. Структура кристалла никогда не бывает, идеальна - ни в объеме, ни тем более на поверхности. Всегда имеются дефекты решетки и дислокации.
Дефекты решетки могут иметь вид пустого узла (дефект по Шоттки) или совокупности пустого узла и междоузельного атома (дефект по Френкелю). Это - дефекты точечного типа (рисунок 1.4, а, б).
а – дефект по Шоттки;
б – дефект по Френкелю;
в – примесные дефекты
Рисунок 1.4 – Точечные дефекты кристаллической решетки
Любой реальный полупроводник содержит примеси - либо паразитные, от которых не удается избавиться при очистке, либо полезные, которые вводятся специально для получения нужных свойств кристалла. Каждый примесный (т.е. чужеродный) атом равносилен точечному дефекту решетки. Примесные атомы (рисунок 1.4, в) могут располагаться либо в междоузлиях решетки (примесь внедрения - 1), либо в самих узлах - вместо основных атомов (примесь замещения - 2). Последний вариант более распространен.
Дислокации, т.е. смещения плоскостей решетки, бывают линейные (краевые) и винтовые (спиральные). Первые - результат неполного (не по всей глубине) сдвига решетки: появляется незаконченная полуплоскость атомов (рисунок 1.5, а). Вторые - результат полного (по всей глубине) сдвига некоторого участка решетки (рисунок 1.5, б).
а – линейные;
б – винтовые
Рисунок 1.5 – Дислокации в кристаллической решетке
Наличие дислокаций приводит к дефектам ИС. Поэтому количество дислокаций на пластине полупроводника ограничивают.
Предельным случаем беспорядочных дислокаций можно считать поликристалл, состоящий из множества монокристаллических зерен (микрокристаллов) с разной ориентацией, тесно примыкающих друг к другу. В поликристаллах отсутствует регулярность структуры и свойственная ей анизотропия свойств.
Поэтому поликристаллы не стали основой для наиболее ответственных - активных элементов ИС и играют в микроэлектронике вспомогательную роль.
Кроме поликристаллических (зернистых) твердых тел, существуют аморфные, т.е. совершенно однородные, бесструктурные. Из-за плохой воспроизводимости и стабильности свойств аморфные полупроводники на практике находят лишь узкоспециальное применение.
Помимо дислокаций, в пластинах полупроводника имеют место макроскопические дефекты: микротрещины, поры (пузырьки) и т.п. Все это - потенциальные причины брака в ИС.
Поверхность кристалла. У атомов, расположенных на поверхности кристалла, часть ковалентных связей неизбежно нарушается из-за отсутствия «соседей» по другую сторону границы раздела. Количество нарушенных связей зависит от кристаллографической ориентации поверхности. Например, для кремния в плоскости (111) оказывается оборванной одна из четырех связей, а в плоскости (100) - две (рисунок 1.6).
а – в плоскости(111);
б – в плоскости(100)
Рисунок 1.6 – Нарушение ковалентных связей на поверхности кристалла
Нарушение ковалентных связей влечет за собой нарушение энергетического равновесия на поверхности. Равновесие восстанавливается разными путями: может измениться расстояние между атомами в приповерхностном слое, т.е. структура элементарных ячеек кристалла; может произойти захват - адсорбция - чужеродных атомов из окружающей среды, которые полностью или частично восстановят оборванные связи; может образоваться химическое соединение (например, окисел), не имеющее незаполненных связей на поверхности, и т.п. В любом случае структура тонкого приповерхностного слоя (толщиной несколько нанометров и менее) отличается от структуры основного объема кристалла.
Как следствие, электрофизические параметры приповерхностного слоя заметно отличаются от параметров объема, причем этот вывод не зависит от того граничит ли кристалл с вакуумом, воздушной средой или другим твердым телом. Поэтому приповерхностный или граничный слой (часто говорят просто - поверхность или границу) следует рассматривать как особую область кристалла. Эта область играет важную роль в микроэлектроники, так как элементы планарных ИС располагаются непосредственно под поверхностью, а размеры рабочих областей часто соизмеримы с толщиной граничных слоев.