Динамика дефектной структуры и акустическая эмиссия в кремнии при электрических и механических возмущениях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Введение

1. Состояние вопроса и задачи исследования

1.1 Природа акустической эмиссии в полупроводниках.

1.2. Механизмы движения дислокаций.

1.3. Механизмы торможения дислокаций.

1.4. Электропластический и магнитопластический эффекты

1.4.1. Электропластический эффект.

1.4.2. Магнитопластический эффект.

2. Методы исследования динамики дислокаций в кристаллах кремния

2.1. Введение дислокаций в пластины кремния.

2.1.1. Введение дислокаций по трехточечной схеме нагружения.

2.1.2. Введение дислокаций четырехопорным способом.

2.2. Выявление дислокаций.

2.3. Техника акустоэмиссионных исследований.

3. Акустическая эмиссия дислокационного кремния в электрическом поле

3.1. Обоснование дислокационной природы акустической эмиссии в кремнии.

3.2. Взаимосвязь акустической эмиссии и электростимулированной миграции дислокаций в кремнии

3.3. Влияние электрического тока на активационные характеристики движения дислокаций.

4. Динамика дислокационных ансамблей в кремнии при механических воздействиях

4.1. Анализ дислокационного транспорта.

4.2. Влияние внутренних напряжений на транспорт дислокаций в кремнии.

4.3. Динамика линейных дефектов в поле внешних и внутренних сил.

4.3.1. Влияние внешней нагрузки на скорость перемещения дислокаций.

4.3.2. Изменение дислокационной динамики с уровнем действующих внутренних напряжений.

4.4 Поведение дислокаций в кремнии в полях немеханической природы.

5. Дислокационный транспорт в кремнии в возмущающих полях различной природы

5.1. Динамика дислокационных ансамблей в кремнии при механических и магнитных возмущениях.

5.1.1. Эволюция примесных центров в магнитном поле.

5.1.2. Дислокационный транспорт в магнитном поле

5.2. Дислокации в поле комбинированного воздействия других возмущающих факторов (электрических и магнитных).,.

5.3. Термооптическое возбуждение дислокаций в кристаллах кремния.

Известно, что структурные несовершенства (дислокации) в полупроводниковых материалах появляются не только в процессе роста монокристаллов, но также генерируются при многоступенчатых технологических циклах производства приборов. Появившиеся дефекты способствуют возникновению ловушек и центров рассеяния носителей заряда при протекании электрического тока [1]. Помимо этого, наличие электрических [2] и механических [3] полей может приводить к движению дислокаций даже при комнатных температурах. Дрейфующая дислокация при пересечении активной области прибора может вывести его из строя [4,5]. Особенно чувствительны к этому приборы с высокой степенью интеграции. Вот почему вопросы "дислокационной" динамики представляются весьма актуальными. Более того, при исследовании пластичности наиболее предпочтительным является использование неразрушаюгцих методов диагностики, которые в сочетании с соответствующей математической обработкой позволяют воссоздать картину перемещения и взаимодействия дислокаций. Поэтому в данной работе исследование транспорта линейных дефектов осуществлялось методом акустической эмиссии и селективного травления.

Результаты последних исследований показали, что одним из возможных факторов управления дислокационным транспортом могут служить магнитные поля. Значительные исследования магнитопластического эффекта проведены на ионных кристаллах [6-8].В качестве доминирующего механизма, объясняющего экспериментально обнаруженные изменения подвижности дислокаций в магнитном поле, принят механизм спин-зависимых реакций дефектов [15-19].

В то же время, влияние магнитного поля на состояние дефектов в полупроводниках исследовано явно недостаточно, хотя эта проблема является весьма актуальной в связи х вопросом повышения надежности изделий микроэлектроники при воздействии внешних электрических и магнитных полей. Так, практически не изучена подвижность дислокационных сегментов в элементарных полупроводниках при различных временах выдержки образцов в магнитном поле. Отсутствуют сведения о кинетических и полевых зависимостях дислокационных пробегов в элементарных полупроводниках, подвергнутых обработке магнитным полем. Практически отсутствует информация по разграничению роли различных типов стопоров, взаимодействующих с движущейся дислокацией в легированном полупроводнике. Ограничены сведения и по кинетике пробега дислокаций в кристаллах с неоднородным пространственным распределением линейных дефектов. Анализу этих важнейших вопросов и посвящена настоящая работа. 6

Основные результаты и выводы

1. Исследовано движение краевых дислокаций и связанная с ним акустическая эмиссия кремния при протекании постоянного электрического тока плотностью 0.5-5.0 А/т в интервале температур Т= 300-450К. Показано, что определяющим механизмом перемещения дислокаций является сила электронного (для n-Si) или дырочного (для p-Si) ветра, определяющая величину эффективного заряда, приходящегося на один атом дислокационной линии.

Согласование теории с экспериментом позволило установить основной вклад краевых дислокаций в акустоэмиссионный отклик исследуемых образцов кремния. Установлены характерные частоты перехода дислокаций в п- и p-Si из одного метастабильного состояния в другое (fmax = 0.1-0.5 Hz). Оценено численное значение подвижности дислокаций в электрическом поле 1.4-10"12 m2/(V-s).

2. Впервые зафиксировано и описано смещение дислокационных полупетель (30.50 mkm) в неоднородном поле внутренних напряжений кристалла Si с концентратором напряжений (царапиной) при 0.5.3 h изотермическом отжиге (600.700 °С).

На примере петлевых дислокаций оценено влияние внутренних напряжений на транспорт линейных дефектов в п- и p-Si в поле внешних упругих сил в пределах первых 20-ти минут изотермического отжига. Зафиксированы идентичные скорости перемещения дислокаций в кристаллах с внутренними и внешними напряжениями, связанные с доминирующим влиянием внутренних напряжений (о]>гГ»сгехг) на начальном этапе перемещения дислокаций (xmax~ 60 mkm) в области царапины.

3. Проведено описание дислокационного транспорта с учетом собственного (решеточного) потенциального барьера кристалла и двух видов

109 стопоров на базе магниточувствительных точечных дефектов (легирующая примесь) и дислокаций леса. Оценены энергетические параметры процесса открепления линейных дефектов от "дислокационных" и магниточувствительных стопоров.

По согласованию эксперимента с теорией рассчитаны парциальные скорости перемещения дислокаций и их времена задержки на различных типах стопоров.

4. Предложена кинетическая модель магнитостимулированных изменений подвижности линейных дефектов, связанных с образованием долгоживущих комплексов с участием парамагнитной примеси.

Обнаружен эффект "магнитной памяти" дислокационного кремния и рассмотрены кинетические аспекты эффекта при естественных условиях хранения образца после отключения магнитного поля. Впервые получена зависимость максимального пробега дислокаций от времени экспозиции образцов в магнитном поле.

Впервые экспериментально зафиксировано уменьшение энергии активации перемещения дефектов с 2.2+0.2 eV для необработанного магнитным полем кристалла до 1.6+0.2 eV после экспозиции в МП. - ' 5. Проведено рассмотрение дислокационного транспорта при комбинированном воздействии электрических, магнитных, оптических и механических полей на кристалл Si. Показано, что облучение светом вызывает резкое увеличение скоростей линейных дефектов и уменьшение активационных барьеров с 2.2±0.2 eV до 0.9±0.2 eV, связанное с рекомбинационно-стимулированными реакциями на дефектах. Оценены энергетические характеристики перемещения дислокаций при соответствующих видах воздействия.

110

1. Cavalcoli D., Cavallini A., Combia E. Energy Levels Associated with Extended Defects in Plastically Deformed n-Type Silicon.// J. Phys. 1997. Vol. 53. №7.1. P. 1399-1409.

2. Орлов A.M., Скворцов A.A., Фролов B.A. Акустическая эмиссия в дислокационном кремнии при токовых и тепловых воздействиях.// Письма в ЖТФ. 1999. Т.25. Вып.З. С.28-32.

3. Шпейзман В.В., Смирнов Б.И., Солнцева И.Ю. О движении дислокаций в монокристаллах кремния при комнатной температуре.// Изв. академии наук СССР. Сер. Физ. 1987. Т.51. №4. С.768-773.

4. Mil'stein S. Dislocations in Microelectronics.// Phys. Stat. Sol. (a). 1999. Vol. 171. №2. P.371-376.

5. Malecki I., Ranachowski J. Application of Acoustic Emission (AE) Method for Monitoring the Electrical Power Devices.// Ultrason. World Congr. Berlin. 1995. Proc. Pt.2. P.609-610.

6. Алыииц В.И., Даринская E.B. Магнитопластический эффект в кристаллах LiF и продольная релаксация спинов.// ПЖЭТФ. 1999. Т.70. Вып.11-12. С.749-753.

7. Даринская Е.В., Колдаева М.В. Магнитостимулированное упрочнение кристаллов NaCl (Pb).//ПЖЭТФ. 1999. Т. 70. Вып.3-4. С.226-228.

8. ГоловЙн. Ю.И., Моргунов Р.Б. Магнитная память дислокаций в монокристаллах NaCl.//ПЖЭТФ. 1993. Т.58. Вып.З. С.189-192.

9. Головин Ю.И., Моргунов Р.Б. и др. Влияние магнитного поля на пластичность, фото- и электролюминесценцию монокристаллов ZnS.// ПЖЭТФ. Т.69. Вып.2. С. 114-118.1.l

10. Liu F., Mostoller M., Milman V. & others. Electronic and Elastic Properties of Edge Dislocations in Si.// Phys. Rev. B. 1995. Vol.51. №23. P. 17192-17195.

11. Шевченко С.А. Влияние отжига на дислокационную электропроводность германия.// ФТП. 2000. Т.34. Вып.5. С.543-549.

12. М.Велиев З.А. Концентрация электронов во внешних полях в полупроводниках с заряженными дислокациями.// ФТП. 1999. Т.ЗЗ. Вып.11. С.1300-1302.

13. Макара В.А., Стебленко Л.П., Горидько Н.Я. О влиянии постоянного магнитного поля на электропластический эффект в кристаллах кремния.// ФТТ. 2001. Т.43. Вып.З. С.462-465.

14. Орлов A.M., Скворцов А.А., Гончар Л.И. Магнитостимулированное изменение подвижности дислокаций в пластически деформированном кремнии п-типа.// ФТТ. 2001. Т.43. Вып.7. С.1207-1210.

15. Бойко B.C., Кривенко Л.Ф. Исследование акустической эмиссии, сопровождающей элементарные акты пластической деформации и разрушения твердых тел.// ФТТ. 1988. Т.30. Вып.З. С.716-723.

16. Чишко К.А. Переходное излучение звука винтовой дислокацией, выходящей на поверхность изотропной пластины.// ФТТ. 1989. Т.31. Вып. 1. С.223-229.

17. Бойко B.C., Кившик В.Ф., Кривенко Л.Ф. Экспериментальное исследование звукового излучения при аннигиляции дислокаций в кристалле.// ЖЭТФ. 1980. Т.78. Вып.2. С.797-801.112

18. Калитенко В.А., Кучеров И.Я., Перга В.М. Акустоэмиссия полупроводников при протекании электрического тока.// ФТП. 1988. Т.22, №4. С.578-581.

19. Чишко К.А. Звуковое излучение при развитии сквозной трещины в / пластине.// ФТТ. 1994. Т.36. №8. С.2145-2153.

20. Arias R., Lund F. Elastic Fields of Stationary and Moving Dislocations in Three-Dimensional Finite Samples.// Journal of the mechanics and physics of solids. 1999. Vol.47. P.817-841.

21. Zapperi S., Vespignani A., Stanley H.E. Modeling Acoustic Emission in Microfracturing Phenomena.//Mat. Res. Soc. Proc. 1996. Vol.409. P.355-359.

22. Малыгин Г.А. Акустопластический эффект и механизм суперпозиции напряжений.//ФТТ. 2000. Т.42. Вып.1. С.69-75.

23. Орлов A.M., Скворцов А.А., Фролов В.А. Изменение спектра акустической эмиссии дислокационного кремния при токовых и тепловых воздействиях.// Письма в ЖТФ. 1999. Т.25. Вып.21. С.52-58.

24. Алиев М.А., Алиева Х.О., Селезнев В.В. Диффузионные свойства пластически деформированных кристаллов кремния.// ФТТ. 1999. Т.41. Вып.6. С.1028-1030.

25. Орлов А.Н. Введение в теорию дефектов в кристаллах. М.: Высшая школа. 1983. 144 с.

26. Петухов Б.В. Модель скачкообразного движения дислокаций.// Кристаллография. 1998. Т.43. №6. С.1118-1123.

27. Pizzini S. Chemistry and Physics of Segregation of Impurities at Extended Defects in Silicon.//Phys. Stat. Sol. (a). 1999. Vol.171. P.123-132.

28. Hansen L.B., Stokbro K., Lundovist B.I. & others. Nature of Dislocations in Silicon.// Phys. Rev. Let. 1995. Vol.75. №24. P.4444-4447.113

29. Joos В., Ren Q. Peierls-Nabarro Model of Dislocations in Silicon with Generalized Stacking-Fault Restoring Forces.//Phys. Rev. В 50. 1994. P.5890-5900.

30. Шаскольская М.П. Кристаллография. M.: Высшая школа. 1984. 376 с.33'.Kolar H.R., Spence J.C.H., Alexander Н. Observation of Moving Dislocation Kinks and Unpinning.// Phys. Rev. Let. 1996. Vol.77. №19. P.4031-4034.

31. Spence J.C.H., Kolar H.R., Alexander H. ТЕМ Imaging of Dislocation Kinks, Their Motion and Pinning.// J. Phys. Ill France. 1997. №7. P.2325-2338.

32. Камышанченко H.B., Красильников B.B., Неклюдов H.B., Пархоменко А.А. Кинетика дислокационных ансамблей в деформируемых облученных материалах.// ФТТ. 1998. Т.40. №9. С.1631-1634.

33. Полупроводники. Под редакцией Хеннея Н.Б. М.: Издательство иностранной литературы. 1962. 668 с.

34. Шикин В.Б., Шикина Ю.В. Заряженные дислокации в полупроводниковых кристаллах.// УФН. 1995. Т.165. №8. С.887-917.

35. Велиев З.А. О заполнении дислокационных уровней в сильных электрических полях.//ФТП. 1998. Т.32. №1. С.36-37.

36. Patel J.R., Freeland Р.Е. Change of Dislocation Velocity With Fermi Level in . Silicon.//Phys. Rev. Lett. 1967. Vol.18. №20. P.833-834.

37. Боярская Ю.С., Грабко Д.З., Мединская М.И., Палистрант К.А. Механический свойства чистых и легированных кристаллов InP, выявляемые при лока&ном нагружении.// ФТП. 1997. Т.31. №2. С. 179-182.

38. Болтакс Б.И. Диффузия и точечные дефекты в полупроводниках. Ленинград. Наука. 1972 г. 384 с.

39. Горидько Н.Я., Макара В.А., Новиков Н.Н., Стебленко Л.П. Влияние термообработки и металлизации поверхности на процесс открепленияшдислокаций от примесных центров в кристаллах кремния.// ФТТ. 1989. Т.31. №5. С.31-34.

40. Feklisova O.V., Mariani-Regula G., Pichaud В., Yakimov E.B. Oxygen Effect on Electrical and Optical Properties of Dislocations in Silicon.// Phys. Stat. Sol. (a). 1999. Vol.171. P.341-346.

41. Hull R., Stach E.A., Tromp R. & others. Interactions of Moving Dislocations in Semiconductors with Point, Line and Planar Defects.// Phys. Stat. Sol. (a) 1999. Vol.171. P. 133-146.

42. Судзуки Т., Есинага X., Такеути С. Динамика дислокаций и пластичность. М.: Мир. 1989.296 с.

43. Спицын В.И., Троицкий О.А. Электропластическая деформация металлов. М.: Наука. 1985.278 с.

44. Макара В.А., Стебленко Л.П., Обуховский В.В., Робур Е.Г. Электропластический эффект в кристаллах кремния.// ФТТ. 1994. Т.36. №9. С.2618-2621.

45. Кравченко В.Я. Воздействие направленного потока электронов на движущиеся дислокации.//ЖЭТФ. 1966. Т.51. 1676-1681.

46. Фикс В.Б. Ионная проводимость в металлах и полупроводниках (электроперенос). М.: Наука. 1969. 296 с.

47. Вдовин ЕЕ., Касумов А.Ю. Прямое наблюдение электропереноса дислокаций в металле.//ФТТ. 1988. Т.ЗО. №1. С.311-314.

48. Макара В.А., Стебленко Л.П., Горидько Н.Я. и др. Подвижность дислокаций в кристаллах кремния под действием электрического тока разных плотностей.// Укр. ф13. ж. (Укр. физ.ж.). 1997. Т.42. №3. С.328-331.115

49. Макара В.А., Стебленко Л.П., Горидько Н.Я. Влияние электрического тока на стартовые характеристики и акгивационные параметры коротких дислокаций в кристаллах кремния.// ФТТ. 2001. Т.42. №5. С.854-858.

50. Алышщ В.И., Даринская Е.В., Михина Е.Ю., Петржик Е.А. Влияние электрического поля на подвижность дислокаций в магнитном поле.// ФТТ. 1996. Т.38. №8. С.2426-2430.

51. Алыпиц В.И., Даринская Е.В., Перекалина Т.М. и др. О движении дислокаций в кристаллах NaCl под действием постоянного магнитного поля.//ФТТ. 1987. Т. 29. Вып.2. С.467-471.

52. Головин Ю.И., Моргунов Р.Б., Жуликов С.Е: Влияние постоянного магнитного поля на преодоление дислокациями короткодействующих препятствий в монокристаллах LiF.// ФТТ. 1997. Т. 39. Вып.З. С.495-496.

53. Алыпиц В.И., Даринская Е.В., Казакова O.J1. Магнитопластический эффект в облученных кристаллах NaCl и LiF.// ЖЭТФ. 1997. Т.111. Вып.2. С.615-626.

54. Молоцкий М.И. Возможный механизм магнитопластического эффекта.// ФТТ. 1991. Т.ЗЗ. Вып. 10. С.3112-3115.

55. Головин Ю.И., Моргунов Р.Б., Иванов В.Е. In situ исследование влияния магнитного поля на подвижность дислокаций в деформируемых монокристаллах КС1:Са.// ФТТ. 1997. Т. 39. Вып.4. С.630-633.

56. Дацко О.И., Алексеенко В.И. Внутреннее трение в магнитообработанном материале с дислокациями.// ФТТ. 1997. Т.39. Вып.7. С. 1234-1236.

57. Molotskii M.I., Kris R.E., Fleurov V. Internal Friction of Dislocations in a Magnetic Fields.// Phys. Rev. B. 1995. Vol.51. № 18. P. 12531-12536.

58. Головин Ю.И., Моргунов Р.Б., Лопатин Д.В. и др. Обратимые и* необратимые изменения пластических свойств кристаллов NaCl, вызванные действием магнитного поля.// ФТТ. 1998. Т.40. №11. С.2065-2068.116

59. Головин Ю.И., Моргунов Р.Б., Жуликов С.Е. и др. Дислокационное зондирование состояния дефектов решетки, возбужденных импульсом магнитного поля в ионных кристаллах.// ФТТ. 1997. Т.39. №4. С.634-639.

60. Кведер В.В., Осипьян Ю.А., Шалыкин А.И. Модель спин-зависимой рекомбинация свободных носителей через дислокационные оборванные связи в магнитных полях.//ЖЭТФ. 1982. Т.85. Вып.2/8). С.699-705.

61. Scandian С., Azzouzi Н., Maloufi N. et al. Dislocation Nucleation and Multiplication at Crack Tips in Silicon.// Phys. Stat. Sol. (a). 1999. Vol.171. P.67-82.

62. Бонч-Бруевич B.JI., Калашников С.Г. Физика полупроводников. М.: Наука. 1990,688 с.

63. Концевой Ю.А., Литвинов Ю.М., Фаттахов Э.А. Пластичность и прочность полупроводниковых материалов и структур. М.: Радио и связь. 1982. 240 с.

64. Пшеничнов Ю. П. Выявление тонкой структуры кристаллов. М.: Металлургия. 1974. 528 с.

65. Грешников В.А., Дробот Ю.Б. Акустическая эмиссия. М.: Стандарты. 1976. 228 с.

66. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. ред. Голямина И.П. М.: Советская энциклопедия. 1979. 400 с.

67. Проектирование датчиков для измерения механических величин. Под ред. Осадчего Е.П. М.: Машиностроение. 1979. .4180 с.

68. Домарскас В.И., Кажис Р.-И.Ю. Контрольно-измерительные пьезоэлектрические преобразователи. Вильнюс: Минтис. 1975. 255 с.

69. Мйрпл-мл С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения. М.: Мир. 1990. 584 с.in

70. Скворцов А.А., Орлов A.M., Насибов А.С., Литвиненко О.В. Акустическая эмиссия в сульфиде кадмия при токовых и тепловых воздействиях.// ПЖТФ. 2000. Т.26. Вып.22. С.36-43.

71. Скворцов А.А., Орлов A.M., Фролов В.А., Соловьев А.А. Электростимулированное движение краевых дислокаций в кремнии при комнатных температурах.//ФТТ. 2000. Т.42. Вып.11. с. 1998-2003.

72. Фридель Ж. Дислокации. М.: Мир. 1967. 626 с.

73. Yonenaga I., Werner М., Bartsch М., Messerschmidt U., Weber E.R. Recombination-Enhanced Dislocation Motion in SiGe and Ge.// Phys. Stat. Sol. (a). 1999. Vol.171. P.35-40.118 ;

74. Скворцов А.А., Орлов A.M., Соловьев А.А. Акустоэмиссионное зондирование линейных дефектов в кремнии.// ФТТ. 2001. Т.43. Вып.4. С.616-618.

75. Хирт Дж., Лоте И. Теория дислокаций. М.: Атомиздат. 1972. 600 с.

76. Patel J.R., Testardi L.R., Freeland Р.Е. Electronic Effects on Dislocation Velocities in Heavily Doped Silicon.//Phys. Rev. B. 1976. Vol.13. №5. P.3548-3557.

77. Алексеенко В.И. Реакция системы дислокация-примесь на электромагнитное воздействие. //ЖТФ. 2000. Т.70. Вып.6. С.63-66.

78. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория упругости. М. Наука. 1965. 204 с.

79. Patel J.R. Delay Time of Plastic Flow in Germanium.// Phys. Rev. Lett. 1956. Vol.101. P.1436-1437.

80. Новиков H.H. Структура и структурно-чувствительные свойства реальных кристаллов. Киев. Вища школа. 1983. 264 с.

81. Malygin G.A. Dislocation self-organization processes and crystal plasticity.// Physics. Uspekhi. 1999. Vol.42 № 9. P.887-916.119

82. Алыииц В.И., Даринская Е.В., Петржик Е.А. "In situ" изучение магнитопластического эффекта в кристаллах NaCl методом непрерывного травления.//ФТТ. 1991. Т.ЗЗ. Вып. 10. С. 3001-3010.

83. Алыпиц В.И., Даринская Е.В., Петржик Е.А. Магнитопластический эффект в монокристаллах алюминия.//ФТТ. 1992. Т.24. №1. С.155-158.

84. Бучаченко A.JL, Сагдеев Р.З., Салихов Е.М. Магнитные и спиновые эффекты в химических реакциях. Новосибирск: Наука. 1978. 324 с.

85. Скворцов А.А., Соловьев А.А. Магнитная память монокристаллов кремния с дислокациями.// Труды Всероссийской конференции "Дефекты структуры и прочность кристаллов" 2002 г. (4-7 июня). Черноголовка, пансионат "Дружба". С.226.

86. Рейви К. Дефекты и примеси в полупроводниковом кремнии. М.: Мир. 1984. 475с.

87. Матаре Г. Электроника дефектов в полупроводниках. М.: Мир. 1974. 463с.