2. Электрическая активность дефектов кристаллической структуры в

полупроводниках

"… Правит природа вещами посредством тел незримых"

Лукреций Кар

Общеизвестно, что характер и количественное содержание дефектов структуры определяют физические свойства полупроводника.

К настоящему времени сложились различные принципы классификации этих дефектов (несовершенств): размерны й, энергетический, зарядовый, химический, временной, с учётом характера локализации дефекта и проч.

Наиболее распространена классификация, основанная на размерном подходе:

• точечные дефекты (нульмерные): вакансии, междоузельные атомы основного вещества, атомы примеси замещения или внедрения, носители заряда;

• линейные дефекты (одномерные): дислокации;

• двумерные дефекты: границы субзерен, двойные границы, границы зерен в поликристалле, дефекты упаковки и другие внутренние поверхности в кристалле;

• трёхмерные (объёмные) несовершенства: зоны упругих напряжений, поры, частицы инородных фаз, фононы и проч.

По мнению П.И. Баранского в эту классификацию следует включить пространственные (периодические и случайные) примесные неоднородности, которые рассматриваются как единый объект.

Если какой-либо дефект равномерно распределен в кристалле с концентрацией N, то его эффективный химический потенциал  должен отличаться от химического потенциала бездефектного кристалла ₀ некоей добавкой:

=₀+lnN, (4.1)

где К - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура.

В более общем случае, когда кристалл неоднороден, т.е. имеет место зависимость N от координаты, можно записать:

=₀+lnА, (4.2)

где А - имеет смысл не концентрации, а активности.

Иными словами, знания только концентрации становится недостаточно для полного описания свойств кристалла. Следует пользоваться более широким и строгим представлением об активности этих дефектов.

Поскольку метрология полупроводников функционально обслуживает сферу производства полупроводниковых приборов и микросхем, естественно, во главу угла становятся электрофизические параметры кристаллов и структур, а классификация, основанная на учёте электрической активности дефектов, становится наиболее предпочтительной.

Исходя из них электрической активности, примеси (дефекты структуры) подразделяю на:

• доноры (отдающие электроны);

• акцепторы (присоединяющие электроны);

• амфотерные (которые могут проявлять себя как доноры, либо как акцепторы в зависимости от положения уровня Ферми).

В.Н. Фистуль ввёл понятие "политропия примесей", которое является более широким по смыслу, нежели понятие "амфотерность" и используется для существования дефектов для существования дефектов в нескольких формах. В частности, к числу факторов, определяющих электрическую активность примеси, могут быть отнесены: комплексообразные, выпадение второй фазы, осаждение на других дефектах и проч.

Для исключения двоечтения мы предположили такие дефекты "третьего пола" (ни доноры, ни акцепторы) называть интерцепторами.

В свою очередь интерцепторы принято разделять электрически нейтральные (неионизирующиеся) и электрически активные (ионизирующиеся).

Строго говоря, неионизирующаяся примесь не может быть абсолютно нейтральной, поскольку она всегда участвует в процессах рассеяния носителей заряда, поставляемых другими дефектами. Более правильно в этой ситуации говорить об электрически пассивных примесях.

Электрически активные примеси, неоднородно распределенные в кристалле, в ой или иной степени ковариантно варьируют ширину запрещённой зоны , но при этом =const.

Ряд примесей может варьировать ширину запрещённой зоны контравариантно. Например, в германии могут быть примеси, компенсируемые матричной основой (Mg, Ca, Sr, Si и др.), а также примеси, компенсируемые другими примесями (типа Al+Sb, In+P и т.д.). В твёрдом растворе кремния в германии (или наоборот) ширина запрещённой зоны меняется от кремниевой (1,21 эВ) до германиевой (0,75 эВ) в зависимости от локализации этих компонентов.

Наконец, нейтральные примеси могут входить в запрещённую зону конвариантно (например, инертные газы). Однако, как уже указывалось выше, они не могут считаться в полной мере неактивными, так как косвенно влияют не электрическое состояние кристалла.

Типичным примером центра с интерцепторными свойствами может служить свободная вакансия. Если говорить о германии или кремнии, то, поскольку валентные оболочки этих элементов заполнены только наполовину (4 электрона), теоретически вакансия не должна проявлять электрической активности. Однако, вакансия всегда связана с фоновыми примесями, и в зависимости от вида и содержания этих примесей определяется тип проводимости и другие электрические свойства кристалла.

При температуре плавления германия или кремния в условиях формирования бездислокационной структуры образуется раствор вакансий с равновесной концентрацией 10¹⁶ см^-3, которые при последующем охлаждении (закалке) могут могут объединяться (кластеризоваться) вплоть до образования макроскопических тетраэдрических пор. В реальных кристаллах, всегда содержащих остаточные или легирующие примеси, при определённых условиях кластеры декорируются примесью и могут укрупняться до размера включений второй фазы (10¹⁰ атомов). Кластеры, не разрешившиеся в виде включений второй фазы и рассматриваемые как ассоциаты точечных дефектов, в нормативно-технической и научной литературы получили не вполне адекватное их физической природе название микродефектов.

Естественно, что в процессе очистки и выращивания полупроводниковых материалов и структур, а также в ходе изготовления приборов и микросхем, дефекты структуры и примеси претерпевают различные превращения и выступают во взаимодействие друг с другом, образуя структурные комплексы. Поэтому понимание последствий комплексообразования дефектов чрезвычайно важно для установления связи между физическими параметрами полупроводниковых приборов и структур, с одной стороны, и характеристиками изготавливаемых из них приборов и ИС, с другой стороны.

При оценке электрической активности дефектов структуры и комплексов следует обязательно учитывать характер их локализации.

В приборной композиции различают обычно функционирующую (активную) область, где протекают основные физические процессы, и периферийные области, предназначенные для создания опорной конструкции, контактов и т.д. Если дефекты находятся в активной области прибора (области объёмного заряда), они существенно влияют на его характеристики, определяя, например, условия микроплазменного пробоя, смягчение вольт-амперных характеристик, термостабильность, механическую прочность и т.д. Те же дефекты в периферийных областях приборных композиций практически никакого воздействия на их параметры и условия функционирования не оказывают. Парадокс современных электронных технологий заключается в том, что активная часть приборов и микросхем в сравнении с их периферийными частями ничтожно мала и испытывает постоянную тенденцию к дальнейшему уменьшению (от долей микрометра до десятков нанометров), в то время как габариты и диаметры исходных кристаллов всё время возрастает. Это, естественно, приводит к неоправданно большим и необратимым потерям полупроводниковых материалов, необоснованному увеличению материалоёмкости полупроводниковых приборов и микросхем.

Современная технология ищет возможность разрешения этого противоречия на пути использования высокоточных, низкотемпературных, локальных методов создания сверхтонких плёночных приборных композиций.