CC BY
46
352 Вестник СамГУ — Естественнонаучная серия. 2008. №6(65).
УДК 621.382
ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩЕЙ ПРИМЕСИ НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЧЕЧНЫХ ДЕФЕКТОВ В ГЕТЕРОСТРУКТУРЕ БЮ - Б1
© 2008 А.Н. Комов, В.И. Чепурнов, К.П. Сивакова1
Гетероэпитаксиальные пленки карбида кремния на кремниевой подложке являются перспективным материалом высокотемпературной электроники. В данной работе выполнен анализ точечного дефекто-образования в гомогенной фазе в - Б Ю, формирующейся за счет матрицы кремния, углеводородов газовой фазы и легирующей примеси Оа в интервале температур 1360-1380 °С при нормальном давлении.
Ключевые слова: точечный дефект, гетероэпитаксиальные пленки, эндо-таксия, легирующая примесь, карбид кремния, кремний.
1. Введение
Гетероструктуры в - БЮ — Б1 перспективны для применения в качестве полупроводниковых преобразователей физических величин (датчиков), работающих при температурах до 350 °C и в условиях повышенного радиационного фона. В связи с этим актуальным является вопрос распределения и природы точечных дефектов (наноразмерного уровня) в гомогенной области карбида кремния, формируемого методом эндотаксии на кремниевой подложке. Практическим применением данного распределения является оптимизация технологии выращивания и легирования БЮ—фазы. Модель распределения учитывает роль и участие подложки кремния в формировании гетероструктур.
Сопряженные фазы подложки и пленки имеют различный состав и распределение собственных дефектов тепловой и ростовой природы, а также дефектов сопровождающих процессы легирования. Все типы дефектов контролируются термодинамическим равновесием системы. Распределение наноструктурных дефектов связано с процессами массопереноса в градиенте
1 Комов Александр Николаевич, Чепурнов Виктор Иванович, Сивакова Ксения Петровна (sivakovakp@mail.ru), кафедра электроники твердого тела Самарского государственного университета, 443011, Россия, г. Самара, ул. Акад. Павлова, 1.
соответствующих химических потенциалов. Данное распределение обуслав-лено отклонением химического состава гомогенной в - Б гС— фазы от стехиометрии.
Пленка в - Б С— фазы формируется за счет матрицы монокристалли-ческого кремния. Процесс можно представить как встречную диффузию потока атомов углерода, галлия и кремния в градиенте химического потенциала через кристаллическую решетку карбида кремния, выступающей в роли диффузионного барьера, как это схематически представлено на рис 1
газовая фаза
(углеводороды, кремневодороды, водород, легирующая примесь ва)
Рис. 1. Схематическое представление массопрерноса при эндотаксии карбида кремния на кремниевой подложке как твердофазной реакции в градиенте химических потенциалов Ацс , Ацбь Ацоа, выступающих движущей силой соответствующих потоков 1г
2. Краткая характеристика термодинамической системы Б1 - С - Н - Оа
Газовая фаза.
Газ-носитель водород диффузионной очистки образует углеводороды реакцией с углеродом в низкотемпературной области кассеты-подложкодер-жателя. В той же зоне установлен источник паров галлия. Парогазовый поток движется над подложками кремния в градиенте температуры, обеспечивающем однородное пересыщение по углероду в кассете. Выполненный термодинамический расчет показал, что система испытывает пересыщение по гипотетическому атомарному давлению углерода (АРс) и не испытывает пресыщения по гипотетическому давлению кремния (АРБг). На подложке кремния формируется гомогенная фаза в - БС за счет реакции кремния с углеродом.
Гомогенная в - БЮ — фаза.
Гомогенная в - БЮ фаза выступает в качестве диффузионного барьера, поэтому, несмотря на то, что в соответствии с диаграммой ’’состав — свойство системы Б г - С” при температуре эндотаксии углерод и кремний вместе несосуществуют, диффузионный барьер позволяет выполнить термодинамический расчет газовой фазы в системе Бг - С - Н по известной методике [1—2]. Гомогенная область в - БЮ в стехиометрическом отношении не однородна: со стороны газовой фазы ожидается отклонение стехиометрии в сторону избытка углерода (фазовое поле I). Процесс встраивания атомов углерода в кристаллическую решетку в - Б Ю— фазы можно представить квазихимическим уравнением с образованием ростовых точечных дефектов:
где O — условное обозначение совершенной кристаллической решетки карбида кремния (SiC); Ce — атом углерода, встроившийся на место атома углерода в кристаллической решетке SiC; V^-p — четырехкратно ионизированная умозрительная вакансия на месте атома кремния в SiC, находящаяся рядом со встроившимся атомом Cc ; KV4- —константа равновесия квазихи-
Si,p
мического уравнения; Xv4- —концентрация вакансий на месте атомов крем-
Si,p
ния в SiC; APe — пересыщение по гипотетическим атомам углерода в газовой фазе, сопряженной с фазой SiCj; p — концентрация дырок; h — условное обозначение квазичастиц—дырок.
Гомогенная область в - SiC со стороны сопряжения с Si— фазой испытывает отклонение от стехиометрии в сторону избытка кремния (фазовое поле III). Возможны два механизма вхождения кремния в кристаллическую решетку карбида кремния: 1) механизм ростовой природы; 2) механизм замещения вакансий на месте атома углерода в решетке карбида кремния. Твердофазный процесс встраивания атомов кремния в кристаллическую решетку S iC можно представить квазихимическим уравнением с образованием ростовых дефектов:
где S is г — атом кремния на месте атома кремния в кристаллической решетке SiC; У(+р — четырехкратно ионизированная умозрительная вакансия ростовой природы на месте атома углерода кристаллической решетки SiC; п — концентрация электронов; е — условное обозначение электрона.
C + 0 ^ Ce + VS-p + 4h,
(1)
Sir + O ^ SiSi + V^p
+ 4e,
(2)
KVC+ = XVC++ • П • üs\ ,
C,p C,p
4XV4+ = n,
Механизм замещения вакансий на месте атомов углерода в гомогенной фазе в - БЮ [3-4] изменяющее стехиометрию в сторону избытка кремния
(фазовое поле III) можно представить квазихимическим уравнением:
Бгт + (уС+бс + ^ Б1уСБбс, (2')
Кб; 4+ = ХБУ4+ • Х-1+ • п~А • аБ,,
ус,б; с ус,б г с ус,б1 с
4ХУ4+ = п.
уС
Градиент химического потенциала построений примеси в гомогенной области Б г С, сопряженной с газовой фазой (фазовое поле I), обеспечивает термодинамически выгодное условие вхождения галлия в кристаллическую
решетку Б С, покажем это. Изменение энергии Гиббса представим как об-
разование раствора галлия в матрице Б С
Ао = ХБС • АЦб;С + ХОа • АЦоа, (3)
где (Х;, Ац) — произведение молярной доли компонента на соответствующий химический потенциал.
Выражение химического потенциала через стандартные парциальные термодинамические функции энтальпию и энтропию, получим
Ац, = Ац0 + ЯТ 1п Хь (4)
Ац = АН? - Т • АБ0. (5)
Решая уравнения совместно (3-5) получим
(6)
АС = Хб с • АНБ ;с - Хб юТ • АБ 0 + Хб с • ЯТ 1п Хб ю+
+Хоа • АНССа - Хоа • Т_• АБ°0а + Х^ЯТ 1п Хоа =
= Хб с • АН0С + ХоаАНОа + ЯТ (Хб с 1п Хб с + Хоа 1п Ха) -
-Хбс • ТаББОс - Хоа • ТАБ"°а.
Сведем выражение (6) к одной переменной, исходя из того, что
АС = (1 - Хоа) • аНБю + Хоа • АН°0а+
+ЯТ [(1 - Хоа) 1п (1 - Хоа) + Хоа • 1п Хоа] - (7)
- (1 - Хоа) • Т АБ°б ;с - ХоаТ АБо а'
Дифференцируем (7) по мольной концентрации галлия, чтобы убедится в термодинамической неизбежности легирования
дАв + ьЯ°Оа + КТЫ [^(1 - + ТАБ°81С - ТАБ%а. (8)
дХоа
Упростим выражение (8), полагая, что
Хб с » Хоа » 1019,
Хоа ^ 1 и ХБС - 1>
АН0б,с « АН0^, (9)
Производная в любом случае отрицательна, следовательно растворение галлия в матрице Б С процесс самопроизвольный (Хоа ^ 0,1п Хоа ^-оо). Кристаллическую решетку Б г С можно рассматривать как совокупность под-решеток углерода и кремния. Электроотрицательности для углерода, кремния и галлия по Полингу равны соответственно 2.5; 1.8; 1.6 [5], поэтому полагаем, что галлий замещает атомы кремния в подрешетке кремния.
Возможны два механизма вхождения галлия в Б С:
1) По механизму квазихимической реакции достраивания бинарного полупроводника;
2) По механизму замещения вакансий на месте атома кремния У^-р.
Представим оба механизма которые сопровождают образование точечных дефектов, вызванных легированием посторонней примесью:
Присутствие паров галлия и углеводородов, испытывающих пересыщение влияют на структурное дефектообразование ростовой природы. Возможны следующие случаи, которые контролируются соответствующим давлением компонентов:
Случай (11а) соответствует легированию карбида кремниевой фазы
(11), а ролью ростового структурного дефектообразования (1) можно пренебречь. Случай (12а) соответствует легированию в процессе роста, по реакции (12), где вакансии в подрешетке кремния могут быть ростовой (1) и тепловой природы по моделям Шоттки и Френкля.
Случай (12Ь) соответствует условию когда легирующая примесь не оказывает существенного влияния на модифицирование типа проводимости полупроводника (превалирует ростовой процесс (1), вероятен (12)). Как видно
(11)
(12)
Роа » АРС, Роа - АРС, Роа ^ АРС.
(11а)
(12а)
(12*)
из уравнения (11) и (12) продуктами реакций являются электроны, дырки и заряженные частицы, т.е. те же продукты реакции, как в случае сверх-стехиометрического разупорядочения тепловой и ростовой природы, представленные квазихимическими уравнениями (13)—(15) и (21)—(23) [6].
Ус,ш Уб;,ш ^
О ^ Ус + У.г, Кш = ХуСш -Хуб, уС+ш + 4е КлУ4+ш = ху4+ш • п4 • Х-1
'с.ш
Ус,ш ’ 4 ^-1
4Х
у4+ = п,
ус,ш
У4+ш + 4Н, КшУ4- = Ху4+ • р4 • X-1 , 4ХУ4+ = р,
Б,,ш шУб;.ш УБ!, ш ^ уБ,,ш’ Уб: , ш ^
(13)
о ^ Ус,ф + Сг + Уб г,ф + Б г, Кф = Хус • X,, • Ху. , • Хб ,, Ус,Ф ^ уС+ф + 4^, Ку4+ф= Ху4+ф • п4 • X-1ф, 4ХуС+= п,
уБгФ ^ ^—ф + 4Л. Кбф = ^-р4^,, 4х,,.--ф = р,
С,
С4- + 4Н, КС4— = р4 • ХС4— • Х—1, 4ХС4— = р,
Б г, ^ Бг’4+ + 4ё, К., = ХБ ,4+ • п4 • X. ,, 4ХБ ,4+ = п,
(14)
О ^ е + Н, К, = п • р, р = п. (15)
Кремниевая фаза.
Краткая характеристика кремниевой фазы со стороны ее сопряжения с гомогенной БЮ—фазой. Гомогенная фаза БЮ наследует ориентацию и тип кубической решетки кремния, несоответствие параметров решетки составляет ~ 20%. Напряжения несоответствия релаксирует до остаточных за счет дислокационной сетки. Так как фаза БЮ образуется за счет Б г—фазы и движется вглубь монокристаллической подложки, то соответственно перед фронтом роста Б С—фазы движется сетка дислокаций, выполняющая функции скрытого геттера для примесей и собственных точечных дефектов кремния различной природы.
Экспериментально показано, что дислокации сосредоточены в кремнии (рис. 2). Технология получения гетероструктур, методика выявления распределения дефектов, а также подсчет плотности дислокаций приведены в работе [7].
Концентрации дефектов по модели Шоттки и модели Фринеля при температуре эндотаксии 1360—1380 °С сопоставимы [8-9].
о ^ У б ;,ф + Б гг, К. г, = Ху., ^ -Х.;,,
Уб;,ф ; Б Б
УБ—Ф + 4р- КУЙф = ХУ.+ф ' р4 ' ХУ—ф,
4+ 4 -1
4ху.—Ф = Р,
Б г ,ф
(16)
(17)
(18)
: Б Г + 4е, к.,4+ = X.,4+ • п4 • Х^, 4Х.,4+= п,
Б ,- + 4Н, К. ,4- = X. ,4— • р4 • X—, 4Х. ,4— = р.
Междоузельный атом может выступать как акцептор при легировании посторонней донорной примесью и как донор при легировании посторонней акцепторной примесью. Степень ионизации зависит от температуры.
Сопряжение Бг—фазы с БС—фазой, приводит к возникновению химического потенциала на межфазной границе по углероду и самопроизвольному изовалентному легированию Б г— фазы с образованием точечных дефектов по квазихимической реакции
СТ,БЮ ^ СБ1, КСбг = ХСбг • ХС].,. (19)
Кроме реакции замещения атомов в узлах решетки Б г возможны и реакции замещения тепловых вакансий, например по модели Шоттки в решетке Б г — матрицы
Ст,бс + (У4+ + 4ё) ^ Су4+, Ку4+ = Хсу4+ • п-4 • Х—1+ • ХС1,Бгс. (20)
Соответственно градиент химического потенциала по атомам кремния на межфазной границе БС - Б г не исключает ранее приведенного процесса замещения вакансий в подрешетке кремния Б гС — фазы атомами кремния (1,2’,13—14). Данный факт можно рассматривать как изовалентное легирование Б Ю и причину отклонения Б гС — фазы от стехиометрического состава в сторону избытка кремния.
Процессы точечного дефектообразования при эндотоксии в сопряженных фазах БС - Б г имеют разную природу и протекают одновременно, взаимообуславливая константы равновесия процессов (1—2’), (11—20). Практическое значение имеет распределение наноструктурных дефектов. Распределение точечных дефектов тепловой (по Шоттки, Френкелю) и ростовой природы приведено в работе [9].
Например, распределение точечных дефектов тепловой по Шоттки и ростовой природы:
— для фазового поля I на границе с газовой средой
1 4 1 ~ 1
-р = 4г,.(КУ4Г
А Ч- 1 ~ — , .
ХУ*- = 7Р = 4" • (ад5 • (АрсУ> (21)
, 4
45 • Ки
ху£ =--------, (22)
(Ку4-)5 • (АР~сУ
1 1 ~ _1 п = А~5 ■К1-(Ку4-)~5-(АРс) 3; (23)
для фазового поля III, сопряженного с подложкой Бг
1 4 1 1 ~ _1
ху£ = 4й = 4-5 • (Ку^У • (КРу • (АРс) 5, (24)
4 5-(Кш)-(АРсУ ~ ------;-----— > (25)
(Ку4с+)5 ■ (КР)5
1 11-1 , ч
Р = 45 -К{- (КуиГ 5 • (Кр)-5 . (ДРС)5 ; (26)
— для узкого фазового поля II в гомогенной области БС (при условии Кш > К)
11-1 , Ч
р = (Ку^У ■ (Кшу* ■ (АРсУ, (27)
п = Кг (Ку4,Т* ■ (Кшу ■ (АРС)~У (28)
1 , ч
Ху,- =Ху£ = (Кшу. (29)
Распределение точечных дефектов тепловой по Френелю и ростовой природы:
— для фазового поля I гомогенной области Б ІС
і і~і р = 4ХС4- = 45 • (^47)5 • (АРс) , (30)
4 1
1
Хс,- = 4" • (Ку,-)ї ■ (АР~СУ, (31)
і і ~ _1 п = ■ Кі ■ (Ку,-)-5 ■ (АРС) 5, (32)
4 , 1 ~ _! , ч
ХУ4+ = 45 • С?ф • (Куі-)-ї • (АРс) 3, (33)
4 1 ~ _ I , ч
*5 Г = ^ГГ = 4*-КФ ' (^-)-5 • (АРС) ^; (34)
•4-
V»
для фазового поля III гомогенной области Б ІС
і і і ~ _1 , ч п = 45 • (КуАс+)ї ■ (Кр)5 . (АРс) 3, (35)
4 1 ~ , N
Х5ІА+ =4-5 .(КуА+)ъ .(АРс) \ (36)
У С
4 1 1 ~ -I , ч
Хи+ = 4-5 • (Ку4+)5 • (Кр)5 • (ДРс) 3, (37)
4 ,, 1 1-І , ч
Ху4- = 45 • К ' • (^4+)-5 . (Кр)~5 • (ДРс)3, (38)
р = 4-5 . АГг - (^4+)- 5 • (Кр)~5 • (АРс)5, (39)
р 6 1 1 ~ I „ „
хс*- = 1=4-5 -щ- (КуАс+)- • (Кр)~5 • (ДРс) ; (40)
— для фазового поля II гомогенной области Б,С
1
=Ху1;= =*(*-= кг (41)
1 1 ~ I
р = (Ку4-У* ■ (к;у* ■ (АРсУ, (42)
1 1 _ 1
п = К1- (Ку£)~* ■ (к;у* • (АР~с)~У (43)
Графически соответствующее распределение представлено на рис. 5.
Введение легирующей примеси (Оа) в процессе гетероэндотаксии БЮ - Б г меняет картину распределения тепловых по Шоттки, по Френелю и ростовых точечных дефектов, представленных выражениями (21—34).
Рассмотрим случай распределения наноразмерных дефектов тепловой
природы (по Шоттки), ростовой природы и вызванных легированием в процессе роста. Примесь вводится в фазу Б гС из паровой фазы (неограниченный источник).
ЫХ
Фазовое поле ІП
Фазовое поле II
Фазовое поле I
1п АРс
Рис. 2. Зависимость концентрации равновесных ростовых и тепловых четырехкратно ионизированных дефектов по Френкелю в гомогенной области в - БЮ от пересыщения по атомам углерода в газовой фазе над в - БЮ
Фазовое поле I гомогенной области Б Ю.
Структурное и электронное разупорядочение обусловлено образованием продуктов реакции с соответствующими концентрациями (21-23). Продукты реакции оказывают влияние на механизм легирования (12) поддерживая его, т.е. смещают равновесие вправо, активируют процесс. Перераспределение дефектов зависит от соотношения концентраций посторонней примеси и степени пересыщения газовой фазы по углероду. Например, при условии (Рва ^ АР с) вид распределения заряженных дефектов существенно не изменится. Преимущественно имеет место изовалентное легирование Б С-фазы сверхстехиометрическим углеродом (при условии АР ^ АР с в газовой фазе), причем продукты квазихимического процесса (1) предполагают развитие процесса (12).
Увеличение концентрации галлия в паровой фазе над гомогенной фазой БС до уровня, когда начинает выполнятся условие (12а) (т.е. Р^а — АР с) обеспечивает протекание процесса (12). Замещение вакансий на месте атомов кремния галлием позволяет переписать константу равновесия в более удобном для анализа виде, с учетом результатов работы. В константе равновесия переобозначим взаимосвязанные величины как Е-дефект (ХЕ\- =
(44)
Уравнение электронейтральности можно преобразовать к виду
ХЕ'а1, = Р- (45)
Распределение ассоциированного структурного дефекта в фазовом поле I гомогенной области БС можно найти из выражений (44) и (21), получим:
(46)
KGah =XE].,-\^-Kv+ 'Л/У:)'^:,=
= XF\- -4“5 -к! -AP^-Pri,
EGa/V V$7p C Ga
3 3^3
XE1- = 45 • KGai- • Ks • Д/V; • PGa• (47)
^Ga/V V4" VS C
Si,p
Si,p
Распределение электронного разупорядочения можно найти из решения уравнений (45-46) и (15)
з 3
Х£1- =р = 45 • кваг- ■ К* • Л/V: • Роа, (48)
... г Ga л \/‘
Ga/V V4- VSi,p
Si,p 'y
3 -1-1
n = Kr p-1 = 4-5 • Ki ■ K-y ■ К I ■ АР'-5 • P~Gl (49)
v4- Si-p
Si,p
Распределение вакансий в подрешетке углерода определяется из уравнений (2) и (48):
П 8 . -3
X,» .j.rs.K,. к-у ■ к> ■ д Рс> ■ р-а1 (50)
,F ^ v4- Si*p
Si,p
В обобщенном виде распределение структурного и электронного разупорядочения для фазового поля I гомогенной области SiC для условия легирования посторонней примесью можно записать в виде выражений:
3
Хр1- = р = К ■ Дрд, (51)
EGa/V C '
_3
n = K-APj, (52)
_3
Хул+ = К ■ АРС~5, (53)
где K — обобщенная константа равновесия при PGa = const.
Распределение структурного и электронного разупорядочения в фазовом поле III гомогенной области Б Ю.
При отсутствии легирования посторонней примесью распределение ростовых и тепловых дефектов (по Шоттки) представлено выражениями (24-28). Введение в газовую фазу посторонней легирующей примеси в процессе роста методом эндотаксии изменяет распределение. Распределение концентраций точечных дефектов (24-28) влияет на протекание процесса легирования следующим образом:
— высокая концентрация электронов и вакансии на месте атомов углерода в подрешетке углерода в БгС—фазы смещает равновесие процесса (11) влево, подавляя его;
— низкая концентрация дырок ускоряет процесс (12), но низкая концентрация вакансии в подрешетке кремния не поддерживает данный процесс
(12);
— инициируется процесс антиструктурного дефектообразования (2’) вследствие высокои концентрации вакансии в подрешетке углерода и электронного разупорядочения вблизи сопряжения с Бг—фазой;
— возможны и другие механизмы введения посторонней примеси в Б гС— фазу, например замещение вакансий в подрешетке углерода, участие меж-доузельного механизма будет рассмотрено в последующих работах.
Для условия, когда Р^а ^ ДРс существенных изменений в распределении точечных дефектов различной природы (24-28) не ожидается. Существенные изменения в распределении точечных дефектов проявляются при условиях (12а), (12б).
Рассмотрим распределение структурного и электронного разупорядочения в предположении, что поддерживается механизм процесса (12). Из константы равновесия (44) и распределения концентраций вакансий в подре-шетке кремния (25) находим:
/1 -1 -1 ~1\-3 ,
Каа\_ = % . ' 45 • Кш • К> ' Кр 5 ■ АР £) • Р~1 =
^Ga/V VSi ,p
У C
З
З
= 4“5 • Хрі- ■ К73 • К\+ ■ КІ ■ АР~5 • Р~с\,
ЬСа/У ш VС+ Р С °а
З О -3 _3 _3
^ = 45 • Ква, ■ КІ ■ Ку1 ' V АІ'с: Рва- (54)
Яі ,Р С
Распределение квазичастиц в фазовом поле III находим из совместного решения уравнений (53), (45) и (15)
_ з з 3
р!_ = 45 • Т'Ъ ”
А-
Яі ,Р
Р = XEh-/v = 45 • KGa^ . К3Ш ■ Kvl . V • АРІ. PGa, (55)
п = Кг p~l = 4-і • K; ■ K~Gy • ^-3 • K^+ • Kj ■ AP~J ■ P~Gl (56)
vS-Si ,p
Распределение вакансий в подрешетке углерода определяют из уравнений (48) и (2)
8 1 3 _3
ХУ4+ = 4“1 • п = 4-5 • К] • К~у ■ К^3 • К^+ ■ Kj ■ Л/V ' Роа■ (57)
Cp у4- V C
Si ,p
Представим выражения для распределения точечных дефектов в фазовом поле III в обобщенном виде, при Poa = const, тогда
3 }5
XF1- = р = К ■ АР5Г, (58)
EGa/V C '
п = К-АРІ, (59)
3
Ху4+ = К ■ ДРД, (60)
С,р С
где К — обобщенная константа равновесия.
Фазовое поле II гомогенной области Б С.
Для фазового поля II гомогенной области БС, когда ДРб,- ~ ДРс и при условии Роа ^ ДРс распределение точечных дефектов будем определять из уравнения (29) с учетом того, что в данной узкой области фазового поля концентрация вакансий в подрешетке углерода и подрешетке кремния не зависят от пересыщения по углероду, при условии, когда Кш > К, т.е.
Ху4, = Ху4+ = к1 (61)
Концентрация вакансий в подрешетке кремния и концентрация посторонней примеси, внедренная по механизму замещения вакансий взаимообусловлены и обозначены как (ХЕ\~ = Х0а\- • X), поэтому преобразуем
0а/У у4- УЭ1
¡1,р
(60) к виду
Хе1-у=ХУ£=к1 (62)
Оа/У С
Распределение квазичастиц определим из уравнений (29) и (1)
I
• р4 ■ АР^ = К
УБ1,р УБ1,р
Ку47 = Ху4- • р4 • АР~С1 = Kl ■ Р4 ■ АР~С\
1 _ 1 1
р = К* ■ KJ ■ API, (63)
VSi,p
, -1 I __!
n = Ki- p-1 = Ki ■ К I ■ К£ • ДРС4. (64)
Si,p
Равновесное распределение наноразмерных точечных дефектов в фазовом поле II гомогенной области S iC можно записать в обобщенном виде для условия легирования посторонней примесью в процессе эндотаксии структур SiC/Si при Poa = const:
X'C‘ = ^/V = K (65>
l
p = К ■ API, (66)
_ 1
n = K-APc\ (67)
На основании полученных распределений дырок в гомогенной области
в - SiC можно построить графические зависимости (ln X — ln APс) по методу Брауэра.
Из представленного рис. 6. распределения структурного и электронного разупорядочения гомогенной области S iC, формируемой методом эндотаксии, можно отметить следующее закономерности:
— тип проводимости зависит не только от пересыщений газовой фазы по углероду, но и от соотношения Poa ^ АрC;
— равновесное распределение точечных дефектов полезно учитывать при моделировании механизма массопереноса фазообразующих ионов и легирующей примеси.
]пХ
Рис. 3. Зависимость равновесного распределения дефектов в гомогенной области БС от пересыщения газовой фазы над ней по углероду в условиях легирования галлием
Распределение точечных наноразмерных дефектов различной природы (тепловой по Шоттки, ростовой и обусловленных введением посторонней примеси) оценено для случая четырехкратной ионизации атомов кремния и углерода, полученные результаты полезны для моделирования диффузионных процессов массопереноса при выращивании и прогнозировании свойств гетероструктур БС - Б,. Результаты термодинамического расчета системы
- С - Н - Оа при температуре в диапазоне 1360-1380 °С учтены при моделировании процессов дефектообразования в гомогенной области в - Б С. Дефектообразование по модели Френкеля и учет его роли в распределении наноразмерных дефектов будут рассмотрены в следующей работе.
Заключение
Рассмотрена модель равновесного наноразмерного дефектообразования в системе Б1- С - Н - Оа для метода эндотаксии структур БС - Б,. Распределение дефектов важно знать при создании приборных структур данным методом, например, датчиков физических величин работоспособных при повышенных температурах и радиационном фоне.
Данное распределение дефектов полезно учитывать при моделировании процессов массопереноса при твердофазном преобразовании Б ,-фазы в Б С-фазу в атмосфере водорода и углеводов. Пользуясь результатами моделирования можно определить условия модифицирования типа проводимости при легировании в процессе эндотаксии структур в - БС - Б,.
Литература
[1] Крапухин, В.В. Физико-химические основы технологии полупроводниковых материалов / В.В. Крапухин, И.А. Соколов, Г.Д. Кузнецов - М.: Металлургия, 1982. - 352 с.
[2] Медведев, С.А. Введение в технологию полупроводниковых материалов / С.А. Медведев. - М.: Высшая школа, 1970. - 503 с.
[3] Van Vechten, I.A. Handbook on Semiconductors / I.A. Van Vechten. / Ed. by. T.S. Moss. - Amsterdam, 1980. - V. 3. - P. 2.
[4] Wang, C. / C.Wang, I. Bernhole, R.F. Davis // Phys. Rev.(B)- 1988. -V. B38. - №17. - P. 12752
[5] Полинг, Л. Общая химия / Л. Полинг. - М.: Мир, 1974. - 846 с.
[6] Чепурнов, В.И. Анализ точечного дефектообразования в гомогенной фазе S iC формирующейся в процессе эндотаксии гетероструктуры SiC/Si / В.И. Чепурнов, К.П. Сивакова // Вестник Самарского государственного университета. Естественнонаучная серия. - 2006. - Т. 9(49). -С. 72-91.
[7] Сивакова, К.П. Распределение дислокаций несоответствия в гетероструктуре ß - SiC- Si / К.П. Сивакова // XXXIV Гагаринские чтения. Научные труды Международной молодежной научной конференции: в 8 т. 1-5 апреля 2008 г. - М.: МАТИ, - 2008. - Т. 8. - С. 232-233.
[8] Мильвидский, М.Г. Полупроводниковые материалы в современной электронике / М.Г. Мильвидский. - М.: Наука, 1986. - 144 с.
[9] Ковтуненко, В.П. Физическая химия твердого тела / В.П.Ковту-ненко. - М.: Высшая школа, 1993. - 352 с.
[10] Константинов А.О. О природе точечных дефектов генерируемых при диффузии акцепторных примесей в карбиде кремния / А.О. Константинов // Физика и техника полупроводников. - 1992. -Т. 26. - Вып. 2. - С. 270-279.
Поступила в редакцию 18/V7/2008; в окончательном варианте — 18/VT/2008.
A DOPANT INFLUENCE ON THE POINT IMPERFECTIONS IN HETEROSTRUCTURE SiC - Si
© 2008 A.N.Komov, V.I. Tchepurnov, K.P. Sivakova2
Heteroepitaxy supported silicon carbide films as a perspective material for high-temperature electronics is considered. In the paper the point defect formation in homogeneous P - SiC phase based on silicon matrix and dopant Ga gas phase hydrocarbons at 1360-1380 ◦C temperature range and under safe pressure is analyzed.
Keywords and phrases: point defect, heteroepitaxy supported, endotaxy, dopant, silicon carbon, silicon.
Paper received 18jVTj2üü8. Paper accepted 18jV7j2üü8.
2Komov Alexandr Nikolaevich, Tchepurnov Viktor Ivanovich, Sivakova Ksenia Petrovna (sivakovakp@mail.ru) Dept. of Solid State Electronics, Samara State University, Samara, 443011, Russia.
Граница косого шлифа
Рис. 4. Фотоснимок поверхности n - SiC/n - Si (111) после процесса травления для выявления дислокаций
Рис. 5. Фотоснимок поверхности р - БС/п - Si (111), иллюстрирующий распределение плотности дислокаций по глубине в п - Si (111)
Развертка пленки по толщине
Рис. 6. Фотоснимок увеличенного фрагмента сканированной поверхности р -— БС/п - Si (111) (граница пленка-подложка)
