Файл: Курносов, А. И. Технология производства полупроводниковых приборов учеб. пособие.pdf

апертурного угла микроскопа. Электроны, рассеянные на меньшие углы и испытавшие небольшие неупругие потери энергии, образу­ ют светлопольное изображение. Темнопольное изображение полу­ чают при наклоне конденсорной электромагнитной линзы или пу­ тем перемещения апертурной диафрагмы до тех пор, пока дифра­ гированные пучки электронов не попадут в апертуру микроскопа. Благодаря высокой разрешающей способности (около 10 А) и гиб­ кому управлению серийные электронные микроскопы используют для стандартных структурных исследований тонких пленок. В аморфных пленках контролируют сплошность, зернистость, нали­ чие пустот, включений инородных веществ и пр.

Вследствие большого поперечного сечения рассеяния электро­ нов веществом для изучения тонких пленок хорошо подходит элек­ тронография. Так как длина пробегов электронов в веществе мала, то электронный пучок направляют под очень малым углом к по­ верхности, по которой он «скользит» и отражается. Отраженные электроны образуют дифракционные картины, на основании кото­ рых исследуют строение поверхностных слоев: дефекты, напряже­ ния, наличие чужеродных атомов и др.

Аморфные пленки создают на электронограммах рассеянный диффузный фон и небольшое число широких колец. Поликристаллические пленки образуют много сравнительно резких концентриче­ ских колец, расстояние между которыми удовлетворяет уравнению Вульфа — Брегга:

k\ — 2d sin 9,

где 0 — угол падения и отражения пучка — угол Брегга; k — порядок спектра; в практических расчетах k=l ; d — межплоскостное расстояние.

Если часть кольца отсутствует или имеет иную интенсивность, образуя симметричную картину, то поликристаллическая пленка текстурирована, т. е. кристаллики имеют предпочтительную ориен­ тацию в одном или более кристаллографических направлениях и случайную ориентацию — в других. Монокристаллические пленки дают диффрационные картины, состоящие из отдельных рефлексов. Хорошо упорядоченные монокристаллы образуют на электроно­ граммах так называемые кикучи-линии, получающиеся в результа­ те многократного рассеяния электронов.

По диаметру колец судят о типе рассеивающих атомов, а по ширине интерференционного максимума — о размерах зерен, если они лежат в пределах от единиц до нескольких сотен ангстрем.

Задачей рентгеновского структурного анализа является нахож­ дение точных позиций атомов в элементарной ячейке, установление пространственной группы структур, распределение электронной плотности.

Дифракция рентгеновских лучей дополняет дифракцию электро­ нов при определении кристаллической структуры пленки. По вели­ чине уширения интерференционных линий можно определить раз­

250

ГЛАВА ДЕВЯТАЯ

МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ ПОВЕРХНОСТИ р-Я-ПЕРЕХОДОВ

§ 9.1. Физика поверхности р-я-перехода

Поверхностью р-я-перехода считают область выхода р-я-перехо- да на поверхность кристалла. Состояние поверхности, степень ее совершенства во многих случаях оказывают на электрические свой­ ства и характеристики приборов влияние более сильное, чем физи­ ческие свойства объема полупроводника. Если р-я-переход внутри кристалла надежно защищен от различных внешних воздействий, то его поверхность не всегда может противостоять влиянию этих воздействий.

Например, при механическом вырезании кристалла из пластины в поверхностной области возникают столь сильные нарушения, что р-я-переход оказывается зашунтированным низким сопротивлением и кристалл не может выполнять свои выпрямительные или усили­ тельные функции. Подобным же образом влияет влага или какиелибо загрязнения, осевшие на р-я-переходе с совершенной боковой поверхностью. Как показали теоретические данные, наличие поверх, ностной границы у полупроводников обусловливает качественно иную картину энергетических зон по сравнению с известной карти­ ной энергетических зон бесконечно-протяженного кристалла.

Структура поверхности состоит из атомов с частично оборван­ ными связями. Поскольку каждому атому не хватает «напарников» для ковалентной связи, то эти связи остаются ненасыщенными, что эквивалентно энергетическим состояниям, уровни которых лежат внутри запрещенной зоны. Так как атомы стремятся насытить свои связи путем захвата электронов, то образующиеся уровни являют­ ся акцепторными, независимо от типа электропроводности объема монокристалла. Гипотезу о наличии этих уровней впервые выска­ зал советский ученый лауреат Нобелевской премии академик И. Е. Тамм.

Наряду с уровнями Тамма в полупроводнике могут образовы­ ваться дополнительные поверхностные состояния в результате на­ личия адсорбированных атомов чужеродных жидких или газооб­ разных веществ. В зависимости от свойств адсорбированных ато­ мов возникающие в запрещенной зоне энергетические уровни могут быть как донорными, так и акцепторными. Когда монокристаллом адсорбируется атом или молекула, захватывая электроны, то воз­ никают акцепторные уровни. Если исходный полупроводник обла­ дает электропроводностью я-типа, то электроны из зоны проводи­ мости или с донорных уровней стремятся заполнить акцепторные

252

уровни, лежащие ниже уровня Ферми. Это приводит к тому, что тонкий слой полупроводника, находящийся непосредственно под по­ верхностью, обедненной подвижными электронами, оказывается положительно заряженным оставшимися там донорными центрами. Возникающее электрическое поле направлено таким образом, что отталкивает электроны, приходящие из объема, и создает энергети­ ческий барьер; наблюдается искривление энергетических зон на границе (рис. 9.1). Величина искривления

Св — концентрация примеси в полупроводнике.

Рис. 9.1. Искривление энергетических зон на границе

Из выражения (9.1) видно, что с увеличением плотности поверх­ ностных состояний и уменьшением концентрации примесей в объеме Увеличивается искривление зон, т. е. возрастает поверхностный по­ тенциал. Если поверхностный потенциал значителен, то искривле­ ние зон столь велико, что валентная зона на поверхностной границе приближается к уровню Ферми. В этом случае приповерхностная область обладает электропроводностью p-типа; причем концентра­ ция дырок будет тем больше, чем ближе граница валентной зоны к Уровню Ферми. Подобная же область с электропроводностью п-типа может образоваться на поверхности полупроводника р-типа. Области такого типа называют инверсными; они всегда нежела­ тельны при производстве полупроводниковых приборов.

Поверхности германия и кремния после любой очистки при непродолжительном соприкосновении с воздухом покрываются

253

пленкой окисла, которая усложняет картину энергетических уров­ ней. Кроме уровней, связанных с наличием примесей или иных де­ фектов непосредственно на поверхности и обусловленных характе­ ром обработки полупроводника, существуют уровни, связанные со структурой окисного слоя и характером окружающей газовой среды.

Первые из упомянутых энергетических уровней называют «бы­ стрыми» или внутренними, так как время их релаксации (время заполнения или опустошения при изменении состояния термодина­ мического равновесия) не превышает единиц микросекунд. Эти уровни определяют процессы рекомбинации и величину времени жизни неосновных носителей заряда в приповерхностной области.

«медленными» или внешними, так как время их релаксации не ме­ нее миллисекунд и доходит до сотен секунд. Эти уровни располо­ жены в окисном слое или на его поверхности. Они имеют плотность

и поверхностную проводимость. Причина большого времени релак­ сации медленных уровней заключается в том, что для заполнения их зарядом требуется пройти через слой окисла, на что затрачива­ ется достаточно большое время. Толщина окисла, образующегося на чистой поверхности германия или кремния, колеблется в преде­ лах 10—50 А. Плотность поверхностных уровней находится в зна­

Адсорбция молекул газов или паров может быть физической или химической. В случае физической адсорбции пары и газы удер­ живаются на поверхности силой кулоновского взаимодействия меж­ ду ионами твердого тела и поляризующимися молекулами газа или пара. В случае химической адсорбции (хемосорбции) молекулы диссоциируют на атомы, и между ними и поверхностными атомами происходит перераспределение валентных электронов с образовани­ ем устойчивых химических связей.

Пары воды адсорбируются полупроводниками с помощью обоих механизмов. Причем два-три первых слоя («химические») прочно сцеплены с атомами решеток и неподвижны, а в последующих сло­ ях («физических») молекулы могут перемещаться. Адсорбция раз­ личных газов и паров приводит к образованию пространственного заряда в приповерхностной области. Опыт показывает, что влияние азота, аргона, углекислого газа и окиси углерода на поверхностные свойства весьма незначительно. Это объясняется главным образом тем, что они адсорбируются физически. Наиболее активными явля­ ются хемосорбированные газы (кислород) и пары воды. Адсорбция кислорода, озона, а также хлора способствует созданию поверхно­ стного заряда с отрицательным знаком, так как атомы газа захва­ тывают электроны полупроводника, действуя, таким образом, как

254