К вопросу влияния магнитных полей на динамику дислокаций и диффузионную подвижность примеси в монокристаллах кремния Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 621.793.14; 621.3.064.48

К ВОПРОСУ ВЛИЯНИЯ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА ДИНАМИКУ ДИСЛОКАЦИЙ И ДИФФУЗИОННУЮ ПОДВИЖНОСТЬ ПРИМЕСИ В МОНОКРИСТАЛЛАХ КРЕМНИЯ

© А.А. Скворцов, А.В. Каризин, Ю.А. Миршавка

Ключевые слова: магнитные поля; дислокации в кремнии; легирующая примесь; магнитопластический эффект. Работа посвящена изучению динамики дислокационных сегментов и диффузионной подвижности примеси в монокристаллах кремния после воздействия постоянных магнитных полей (В < 1 Тл). Экспериментально зафиксировано разупрочнение монокристаллов 81 после выдержки их в постоянном магнитном поле. Выявлены характерные времена (~80 ч) и пороговая концентрация примеси (1015 см-3), ниже которой магнитопластический эффект в кремнии не фиксируется. Обнаружено, что диффузионные процессы в бездислокационном кремнии также являются магниточувствительными: глубина диффузии фосфора в кремнии р-типа предварительно выдержанном в постоянном магнитном поле возрастает (~20 %) по сравнению с контрольными образцами.

Цель данной работы - дальнейшее исследование магнитопластического эффекта в монокристаллах кремния, выявление экспериментальных условий его проявления, а также влияние предварительной выдержки пластин в постоянном магнитном поле на диффузию фосфора в них.

Для проведения экспериментов использовали без-дислокационные монокристаллы кремния (метод Чох-ральского) р-типа проводимости удельным сопротивлением 0,01-1 Ом-см. Как и ранее [1], нами анализировалось движение поверхностных дислокационных по-лупетель. Для этого на полированную поверхность кремниевой пластины (ориентацией [100] и [111]) размером 30x10x0,5 мм алмазным индентором при фиксированной нагрузке (Р = 0,8 Н) наносилась царапина. Выдержка в постоянном однородном МП (до 60 мин.) с индукцией, не превышающей 1 Тл, производилась при комнатной температуре между полюсами электромагнита.

Смещение дислокаций вызывалось внешними растягивающими напряжениями (50-80 МПа) путем четырехопорного изгиба в интервале температур 650760 °С. Для этого образец располагался между высокотемпературными керамическими опорами деформационной установки, после чего вся система помещалась в предварительно разогретую до рабочей температуры печь. Температура опыта в печи устанавливалась спустя 12 мин. после начала опыта. Таким образом, нагрев образца происходил одновременно с его деформацией. Следует подчеркнуть, что максимальный пробег поверхностных дислокаций в поле внутренних напряжений царапины (отжиг в течение 1 ч и температуре 675 °С) не превышал 30 мкм.

Экспериментальные результаты первой серии опытов приведены на рис. 1. Нетрудно видеть, что обработка кремниевых пластин в постоянном МП по схемам 2 и 3 (рис. 1) приводит к увеличению величины Ь пробегов фронтальных дислокаций (по сравнению с контрольными образцами 1 (рис. 1), которые образуются на начальном этапе пластификации кремния. Совпадение экспериментальных кривых (2, 3, рис. 1)

указывает на «статический» характер МПЭ в и еще раз подтверждает наличие МПЭ в монокристалличе-ском кремнии р-типа.

Кинетика формирования стопоров наглядно проявляется при варьировании времени выдержки образцов в магнитном поле (1, рис. 2).

I,

ит

О 10 20 30 40 50 1в-гтг

Рис. 1. Зависимость пробега головных дислокаций в кремнии р-типа в поле механических напряжений (а = 60 МПа), создаваемых четырехопорным изгибом при 675 °С в течение Ха = 1 ч, от времени предварительной выдержки образцов в постоянном магнитном поле в На вставках приведена последовательность процедур в разных сериях опытов: о -механическое нагружение; В - обработка в постоянном МП с индукцией 1 Тл в течение Хв; стрелкой обозначено скрай-бирование, а звездочкой - селективное травление поверхности; хр = 10 мин. - пауза до пластической деформацией материала. 1 - без выдержки в магнитном поле (пунктир); 2 -вначале выдержка в МП, после - скрайбирование (штрих-пунктир); 3 - вначале скрайбирование, после чего выдержка в МП (сплошная линия)

Нетрудно видеть, что влияние постоянного МП в рассматриваемых экспериментальных условиях носит пороговый характер: последействие магнитного поля проявляется только при концентрации акцепторов более 5-1015 см-3 (2, рис. 2). Как и в ионных кристаллах, это указывает на ключевую роль легирующей примеси в формировании магниточувствительных свойств. Порог магниточувствительности по концентрации бора связан, по мнению авторов, с формированием магнито-

1769

чувствительных комплексов, включающих в себя неравновесный кислород (при переходе из межузельной формы в преципитатную) и атомы бора. Причем концентрация такого кислорода зависит лишь от условий термообработки пластины и во всех опытах примерно одинакова ~1016 см-3.

Рис. 2. Зависимость относительного пробега дислокаций в р-81 от: 1 - времени выдержки ¡р после скрайбирования. Магнитная обработка (В = 1 Тл, ¡в = 30 мин.) на воздухе при комнатной температуре. Средний пробег дислокаций в контрольных образцах (В = 0) Ь0 = 270 мкм, удельное сопротивление образцов р = 1 Ом-см; 2 - уровня легирования кремния бором. Пластическая деформация образцов осуществлялась растягивающими напряжениями (а = 60 МПа), создаваемыми четырех опорным изгибом, при температуре 675 °С. Выдержка в магнитном поле перед деформированием: ¡р = 5 мин., ¡В = 20 мин., В =1 Тл. Ь Ьщ - средний пробег фронтальных дислокаций при различных уровнях легирования

Для проведения экспериментов по магнитостимулированной диффузии фосфора в кремнии р-типа использовались легированные бором кремниевые пластины удельным сопротивлением р = 0,5 Ом-см, диаметром 76 мм и толщиной 450 мкм с кристаллографической ориентацией [111]. Перед проведением диффузии часть пластин помещалась в постоянное магнитное поле электромагнита (В =1 Тл, диаметр сердечника 80 мм). Линии индукции В были перпендикулярны поверхности пластины. После этого (межоперационное время 1 ч) пластины промывались путем кипячения в аммиачно-перекисном растворе, затем в ваннах с деионизованной водой, после чего сушились в центрифуге и помещались в кварцевую лодочку для загрузки в автоматическую диффузионную печь (типа СДОМ) предварительно разогретую до температуры Т1 = 900 °С. После автоматической загрузки пластин в печь (30 мин.) производился диффузионный отжиг по следующей схеме (вставка, рис. 3): в течение ¡1 = 1 ч (атмосфера О2) температура печи линейно возрастала до Т2 = 1150 °С, после чего осуществлялся изотермический отжиг пластин в течение времени ¡2 = 50-230 мин. (первую половину этого времени пластины находились в атмосфере Р205 + Ы2, а вторую - в атмосфере О2), после этого температура в течение ¡1 = 1 ч снижалась до температуры Т1. После извлечения пластин из кварцевой камеры печи пластины охлаждались до комнатной температуры.

Рис. 3. Зависимость глубины залегания р-и-перехода от времени диффузии t2: 1 - без выдержки в МП; 2 - выдержка в постоянном МП (В =1 Тл, tB = 30 мин.) перед диффузией фосфора в Si. Межоперационное время между выдержкой в МП и началом диффузионного отжига 2 ч. На вставке - динамика температуры в рабочей зоне печи в процессе диффузионного отжига пластин: t1 - время нагрева и охлаждения; t2 -время диффузионного отжига

Глубину диффузии фосфора определяли по глубине залегания р-и-перехода, который выявляли методом шар-шлифа по стандартной технологии. Типичные результаты исследования приведены на рис. 3. Нетрудно видеть, что при временах диффузии t2 < 1 ч на пластинах, предварительно помещенных в постоянное МП (В = 1 Тл), глубина залегания р-и-перехода выше.

ЛИТЕРАТУРА

1. Скворцов А.А., Каризин А.В. Магнитопластичность и диффузия в монокристаллах кремния // ЖЭТФ. 2011. Вып. 6 (12). С. 1-5.

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

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 13-07-0514-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., Karizin A.V., Mirshavka Y.A. ABOUT INFLUENCE OF MAGNETIC FIELDS ON DYNAMICS OF DISLOCATIONS AND DIFFUSIVE MOBILITY OF IMPURITY IN SILICON MONOCRYSTALS

Work is devoted to studying of dynamics of dislocation segments and diffusive mobility of impurity in silicon mono-crystals after influence of constant magnetic fields (B < 1 T). Experimentally softening of Si single crystals after keeping them in a constant magnetic field is recorded. The characteristic times (~80 h), and the threshold concentration of impurities (1015 cm-3), below which the effect of silicon magneto-plastic is not fixed. It was found that diffusion processes in dislocation-free silicon are also magnetosensitive: phosphorous diffusion depth of p-type silicon is previously stored in the static magnetic field increases (~ 20 %) compared with control samples.

Key words: magnetic fields; dislocations in silicon; alloying impurity; magneto-plastic effect.

1770