Дефекты кристаллической решетки

Площадь современных ИС порядка 10—500 мм², площади их элементов порядка 10^–2— 10^–4 мм², а линейные размеры отдельных электродов доходят до 0,1 мкм. Ясно, что в пределах таких площадей и расстояний исходная полупроводниковая пластина должна быть достаточно однородной и обладать контролируемыми свойствами. Если же имеются дефекты и неоднородности, то они должны быть локализованы, и их должно быть достаточно мало. Тогда в брак уйдет ограниченное количество ИС, которые оказались расположенными на этих дефектных участках. Поэтому однородности и бездефектности полупроводников в микроэлектронике уделяется весьма большое внимание.

Однако структура кристалла никогда не бывает идеальна — ни в объеме, ни тем более на поверхности. Всегда имеются различные искажения, среди которых различают дефекты решетки и дислокации.

Дефекты решетки могут иметь вид пустого узла (дефект по Шоттки) или совокупности пустого узла и междуузельного атома (дефект по Френкелю). Это — дефекты точечного типа (рис. 1.15, а, б).

Любой реальный полупроводник содержит примеси — либо паразитные, от которых не удается избавиться при очистке, либо полезные, которые вводятся специально для получения нужных свойств кристалла. Каждый примесный (т.е. чужеродный) атом равносилен точечному дефекту решетки.

Примесные атомы (рис. 1.15,в) могут располагаться либо в междуузлиях решетки (примесь внедрения — 1), либо в самих узлах — вместо основных атомов (примесь замещения — 2). Последний вариант более распространен.

Рис. 1.15. Точечные дефекты кристаллической решетки:

а — дефект по Шоттки;
б — дефект по Френкелю; в — примесные дефекты

Дислокации, то есть смещения плоскостей решетки, бывают линейные (краевые) и винтовые (спиральные).

Линейные дислокации — результат неполного (не по всей глубине) сдвига решетки: появляется незаконченная полуплоскость атомов (рис. 1.16, а).

Винтовые дислокации — результат полного (по всей глубине) сдвига некоторого участка решетки (рис. 1.16,б).

Рис. 1.16. Дислокации в кристаллической решетке:

а — линейные; б — винтовые

Наличие дислокации приводит к дефектам ИС. Поэтому количество дислокаций на пластине полупроводника ограничивают.

Предельным случаем беспорядочных дислокаций можно считать поликристалл, состоящий из множества монокристаллических зерен (микрокристаллов) с разной ориентацией, тесно примыкающих друг к другу. В поликристаллах отсутствует регулярность структуры и свойственная ей анизотропия свойств.

Поэтому поликристаллы не стали основой для наиболее ответственных — активных элементов ИС и играют в микроэлектронике вспомогательную роль.

Кроме поликристаллических (зернистых) твердых тел, существуют аморфные, т.е. совершенно однородные, бесструктурные. Из-за плохой воспроизводимости и стабильности свойств аморфные полупроводники на практике находят лишь узкоспециальное применение.

Помимо дислокаций, в пластинах полупроводника имеют место макроскопические дефекты: микротрещины, поры (пузырьки) и т.п. Все это — потенциальные причины брака в ИС.