Взаимодействие дислокаций в кремнии с примесными атомами, влияющими на электронные свойства и подвижность дислокаций

УДК 539.3

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ДИСЛОКАЦИЙ В КРЕМНИИ С ПРИМЕСНЫМИ АТОМАМИ, ВЛИЯЮЩИМИ НА ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА И ПОДВИЖНОСТЬ ДИСЛОКАЦИЙ

© В.И. Орлов

Институт физики твердого тела РАН, г. Черноголовка, Россия, e-mail: orlov@issp.ac.ru

Ключевые слова: дислокации; кремний; DLTS.

Взаимодействие дислокаций с собственными и примесными точечными дефектами в монокристаллах кремния остается объектом интенсивного исследования в настоящее время. Одной из причин актуальности исследований в этой области является продолжающаяся тенденция увеличения диаметра выращиваемых монокристаллов кремния, что приводит к существенному возрастанию вероятности образования и движения дислокаций в пластинах при проведении высокотемпературных технологических операций. Данная работа посвящена влиянию легирования азотом и никелем монокристаллов кремния на их пластические и электронные свойства.

Взаимодействие дислокаций с собственными и примесными точечными дефектами в монокристаллах кремния остается объектом интенсивного исследования и в настоящее время. Одной из причин актуальности исследований в этой области является продолжающаяся тенденция увеличения диаметра выращиваемых монокристаллов кремния, что приводит к существенному возрастанию вероятности образования и движения дислокаций в пластинах при проведении высокотемпературных технологических операций. Данная работа посвящена влиянию легирования азотом монокристаллов кремния на их пластические свойства.

Обнаружено, что легирование азотом кремния приводит к их сильному упрочнению (увеличению верхнего и нижнего предела текучести) (рис. 1). Причем необходимо отметить, что верхний предел текучести го-

; У High N-doped

f . Low N-doped / V Un N-doped

0.0 0.5 1,0 1.5 2.0 2.5 3.0

Shear strain, s

Рис. 1. Кривые напряжение-деформация для кристаллов Si с различным содержанием азота

2D 40 ВО ВС 100 1 ПО

Время отжига, мин

Рис. 2. Зависимость стартовых напряжений для движения дислокаций от времени отжига при температуре 600 °С для монокристаллов 8! с различным содержанием азота

раздо сильнее возрастает по сравнению с нижним пределом текучести.

Показано, что даже небольшие концентрации азота (рис. 2) (на два порядка меньшие, чем концентрация кислорода) увеличивают стартовые напряжения для начала движения дислокаций и практически не влияют на скорость дислокаций при высоких сдвиговых напряжениях. Это, по-видимому, означает аномально большую энергию связи азота с ядром дислокации, хотя не исключен и синергетический эффект азота и кислорода. Например, можно также предположить сильное увеличение коэффициента диффузии кислорода к дислокациям в присутствии азота.

Кроме того, методом емкостной спектроскопии глубоких уровней (БЬТБ) исследована электрическая активность дислокаций в зависимости от размера дислокационных петель, скорости движения дислокаций и последующего отжига. В экспериментах использова-

лись образцы кремния, вырезанные из бездислокаци-онных монокристаллических слитков кремния, выращенных методом Чохральского и бестигельной зонной плавкой. Концентрация легирующей примеси (фосфор) была [Р] = 1,1-1014 см-3 и [Р] = 6-1013 см-3 соответственно для С7- и Е7-Б1.

Сразу после введения дислокаций (диаметр дислокационных петель меньше 150-250 мкм) в образцах обоих типов практически отсутствуют детектируемые методом БЬТБ глубокие электронные состояния на дислокациях. При последующем медленном (2-3 микрона/мин.) движении дислокаций появляется традиционный, хорошо известный в литературе, спектр БЬТ8

С

100 150 200 250 300

Т,К

Рис. З. Спектры DLTS для одних и тех же дислокаций: (1) -диаметр дислокационных петель L = 1500 мкм, (2) - после отжига T = 600 °C, t = З часа без нагрузки; (З) - после последующего нагружения 50 MPa при 600 °C, L = 1600 мкм

от дислокаций с тремя перекрывающимися пиками (В, С и Б) (см. рис. 3, спектр 1). В той части образца, где дислокации не вводились, никакого сигнала БЬТБ при этом не наблюдается. Отжиг образцов с неподвижными дислокациями (без приложения нагрузки) при температуре деформации 600 оС приводит к сильному увеличению интенсивности пика С (см. рис. 3 спектр 2). Последующее приложение механической нагрузки к образцу, заставляющее дислокации двигаться с высокой скоростью, приводит к резкому падению интенсивности С-линии (см. рис. 3 спектр 3).

Результаты интерпретируются следующим образом: предполагается, что пик С соответствует атомам некой примеси, собранной дислокациями. При быстром движении дислокаций атомы примеси не способны двигаться вместе с дислокациями, и дислокации «очищаются» от примеси, что и приводит к падению интенсивности пика С.

Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.

Orlov V.I. Influence of the dislocation interaction with impurity atoms on the plastic and electronic property of silicon

The interaction of dislocations with intrinsic and impurity point defects in silicon single crystals is still being an object of intensive study. One of the reasons why researches in this field are urgent is the trend toward increasing of the diameter of silicon single crystals being grown. This contributes appreciably to the probability of formation and motion of dislocations in wafers in the process of high temperature technologic operations due to an increase both of the thermal stresses and the wafer weight. Therefore, the problem of mechanical strength of silicon wafers of larger diameter is of prime consideration. The aim of this work is to study how a doping of silicon single crystals with nitrogen affects their plastic and electronic properties.

Key words: dislocations; silicon; DLTS.