О формировании и миграции расплавленных зон в поле градиента концентрации дислокаций в кремнии

УДК 621.793.14; 621.3.064.48

О ФОРМИРОВАНИИ И МИГРАЦИИ РАСПЛАВЛЕННЫХ ЗОН В ПОЛЕ ГРАДИЕНТА КОНЦЕНТРАЦИИ ДИСЛОКАЦИЙ В КРЕМНИИ

© А.А. Скворцов, М.В. Корячко

Ключевые слова: расплавленные зоны в кремнии; контактное плавление; миграция жидких включений; дислокации.

Изучены процессы формирования и миграции расплавленных зон в системе алюминий кремний. Экспериментально зарегистрирована миграция расплавленных зон в поле градиента концентрации и измерена размерная зависимость удельной скорости миграции включений.

Известно, что на образование и динамику макроскопических жидких включений в полупроводниках влияют электрические и тепловые поля, а также поля структурной неоднородности.

Данная работа посвящена изучению процессов образования и направленной миграции расплавленных зон типа металл - полупроводник в монокристалличе-ском кремнии в присутствии поля градиента плотности дислокаций.

При описании механизмов перемещения включений необходимо иметь о них четкое представление. Под включением будем понимать кристаллическую частицу, жидкую каплю второй фазы либо заполненную газом микрополость, находящихся в объеме или на поверхности полупроводника [1]. При этом химический состав включения может существенно отличаться от химического состава матрицы, а его размер существенно превышать межатомные расстояния.

Отметим три наиболее важных механизма перемещения включений в электрическом поле [1]. Первый из них связан с потоком вакансий, второй - с поверхностной или граничной диффузией атомов на границе включения с матрицей и третий с направленным перемещением массы между передними и задними «стенками» включений.

Возникновение расплавленных зон в объеме полупроводника при отжиге связано, как правило, с процессами контактного плавления металлической (А1, А§) пленки с монокристаллом. Этот механизм подчиняется закону реактивной диффузии, в процессе которой образуется новая фаза, отсутствующая до взаимодействия компонентов. Ее рост описывается формулой: х = = 2Р(ОГ)0’5, где Б - коэффициент реактивной диффузии, Р - аргумент функции Крампа, определяемой по диаграмме фазового равновесия. Таким образом, на границе металл - полупроводник при достижении соответствующих температур образуется пленка расплава. Термодинамическая неустойчивость пленки способствует ее диспергированию на отдельные капли. Образующиеся таким образом включения дрейфуют в электрическом поле.

Опыты проводились на монокристаллическом кремнии и-типа размером 3x3x15 мм (р = 1 Ом-см).

Градиент дислокаций создавался изгибом образцов при температуре 1323 К. Полученные образцы скрайбиро-вались в месте максимального градиента, после чего между торцами образцов зажималась тонкая пленка алюминия и производился отжиг в инертной атмосфере в диапазоне температур Т = 800-1100 °С.

Результаты исследований показали, что форма включений вторых фаз зависит не только от кристаллографических свойств матрицы, но и от реакционной активности расплава. К примеру, включения Ag-Si в кремнии перемещались в виде агрегатов сложной формы (рис. 1). Алюминиевые зоны характеризовались более простой конфигурацией.

Многочисленные опыты, проведенные нами на системах АІ^і, Ag-Ge, Ag-Si, свидетельствуют о быстром протекании процессов образования включений [2]. Так, по результатам металлографического анализа формирование включений практически полностью заканчивается при проплавлении их на глубину х ~ ~ 100 мкм. Это согласуется с временем релаксации тк = = (2Ю (Б - коэффициент взаимной диффузии компонентов в расплаве, I - характерный размер включений). Для типичных значений I — 100 мкм и Б ~ 10-9 м2/с стационарное состояние достигается не более чем за 10 с при общей продолжительности процесса электроотжига —10 ч. Это позволяет сделать вывод, что все исследуемые параметры вторых фаз (размер, форма, ориентация, глубина проникновения и т. д.) постоянны и определяются электрофизическими свойствами контактирующих фаз.

а б

Рис. 1. Вид включений Ag-Si (а) и Ag-Ge (б). Миграция при Т = 1123 К и ] = 106 А/м2. Плоскость шлифа (111). Увеличение х200

1767

5 10 15 20

Рис. 2. К определению размера включения I в направлении протекания тока методом последовательного снятия слоев N. 1 - I = 46 мкм; 2 - 29 мкм; 3 - 20 мкм

Величина I и глубина проникновения включений в матрицу от стартовой позиции определялись методом последовательного снятия N слоев через каждые 5.. .7 мкм с последующей идентификацией включений при помощи микроскопа МИИ-4 с микрометрической насадкой МОВ 1-15*. Точность измерения размера не превышала ±0,3 мкм. Послойная шлифовка осуществлялась на одномикронной алмазной синтетической пасте с масленным наполнителем (АСМ-5) и последующей полировкой материала. Максимальный размер мигрирующих расплавленных зон, измеряемый в направлении перемещения, определялся по экстремуму зависимости 1п = Л(Щ, построенной для каждой закристаллизованной капли (рис. 2). Здесь 1п - размер включения на каждом сошлифованном слое.

Перемещение примеси в объеме полупроводника осуществлялось в виде расплавленных включений за счет различия химических потенциалов атомов на «тыльной» и «лобовой» границах включения. Экспериментально обнаружены размерные зависимости скорости движения вторых фаз в диапазоне Т = 1100-1300 К (рис. 3).

Таким образом, в работе установлено, что общей закономерностью процесса миграции примесных зон в поле структурной неоднородности кремния являются процессы плавления - кристаллизации. Показано, что размерная зависимость скорости вытеснения включений подчиняется линейному закону.

V, 1[ГШ м/с

X, мкм

Рис. 3. Размерная зависимость скорости движения включений: 1 - 1123 К; 2, 3 - 1273 К

ЛИТЕРАТУРА

1. Гегузин Я.Е., Кривоглаз М.А. Движение макроскопических включений в твердых телах. М.: Металлургия, 1971. 344 с.

2. Скворцов А.А., Орлов А.М. Влияние температурного гардиента на электромиграцию в расплавов системы А§-Ое в теллуре // Неорганические материалы. 2007. Т. 43. № 5. С. 542-545.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 12-07-00620-а) и ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» (ГК № 16.740.11.0514) и НИР в рамках государственного задания по проекту № 7.5397.2011.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Skvortsov A.A., Koryachko M.V. ABOUT FORMATION AND MIGRATION OF MELTED ZONES IN FIELD OF GRADIENT OF DISLOCATIONS CONCENTRATION IN SILICON Processes of formation and migration of the melted zones in system aluminum silicon are studied. Migration of the melted zones in the field of a gradient of concentration is experimentally registered and dimensional dependence of specific speed of migration of inclusions is measured.

Key words: melted zones in silicon; contact melting; migration of liquid inclusions; dislocations.

1768