INVESTIGATION OF THE DEFECT DISTRIBUTION GRADIENT IN SINGLE-CRYSTAL SILICON AND GALLIUM ARSENIDE PLATES USING X-RAY TOPOGRAPHY

ИССЛЕДОВАНИЕ ГРАДИЕНТА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕФЕКТОВ В МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛАСТИНАХ КРЕМНИЯ И АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ С ПОМОЩЬЮ РЕНТГЕНОВСКОЙ ТОПОГРАФИИ

Научная статья

Комаровский Н.Ю.^1, *, Ющук В.В.², Биндюг Д.В.³, Богембаев Н.Р.⁴

^{1, 2} АО «Гиредмет», Москва, Россия;

^{3, 4} Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Москва, Россия

* Корреспондирующий автор (nickkomarovskiy[at]mail.ru)

Аннотация

В данной работе исследовалась зависимость величины диффузионного рассеяния от плотности структурных несовершенств в монокристаллическом кремнии и арсениде галлия, что позволяет оценить градиент концентрации структурных несовершенств. Данный градиент возникает в связи с особенностями технологии роста таких кристаллов (методом Чохральского), а именно – неоднородностью фронта кристаллизации, которая приводит к образованию областей с высокой плотностью дислокаций.

Одним из важнейших технологических требований является однородность таких кристаллов с целью наиболее эффективного их дальнейшего использования в электронике. Предлагаемая методика исследования позволяет оперативно выявить увеличение градиента, чтобы затем скорректировать технологические параметры роста во избежание ухудшения качества продукции.

Ключевые слова: монокристалл, арсенид галлия, кремний, метод Чохральского, дефекты кристаллической решетки, рентгеновская топография.

INVESTIGATION OF THE DEFECT DISTRIBUTION GRADIENT IN SINGLE-CRYSTAL SILICON AND GALLIUM ARSENIDE PLATES USING X-RAY TOPOGRAPHY

Research article

Komarovsky N.Yu.^1, *, Yushchuk V.V.², Bindyug D.V.³, Bogembaev N.R.⁴

^{1, 2} Giredmet JSC, Moscow, Russia;

^{3, 4} National University of Science and Technology "MISIS", Moscow, Russia

* Corresponding author (nickkomarovskiy[at]mail.ru)

Abstract

The current paper investigates the dependence of diffusion scattering on the density of structural imperfections in single-crystal silicon and gallium arsenide, which allows for the estimation of the concentration gradient of structural imperfections. This gradient appears due to the properties of the growth technology of such crystals (via the Czochralski method), namely, the inhomogeneity of the crystallization front, which leads to the formation of regions with a high dislocation density.

One of the most important technological requirements is the uniformity of such crystals in order to ensure their most effective further electronics use. The proposed research method allows for prompt identification of an increase in the gradient so that one can then adjust the technological parameters of growth in order to avoid deterioration of product quality.

Keywords: single crystal, gallium arsenide, silicon, Czochralski method, crystal lattice defects, X-ray topography.

Введение

Монокристаллы кремния и арсенида галлия предназначены для использования в производстве дискретных приборов и интегральных схем СВЧ-диапазона, дискретных и матричных фотоприемников, светодиодов, фотокатодов и во многих других областях. Важнейшими критериями качества таких кристаллов, помимо необходимых электрофизических свойств, являются кристаллическое совершенство и однородность.

Метод Чохральского, в связи с возникновением неоднородности фронта кристаллизации, приводит к неоднородному распределению структурных несовершенств в слитке [1]. Данное распределение, как правило, имеет характерные особенности, а именно: омегообразную геометрию и максимумы плотности дефектов при приближении к краям образца [2].

Одной из важнейших технологических задач является сведение к минимуму кристаллических несовершенств и неоднородностей монокристаллических слитков за счет корректировки основных параметров роста – скорости вращения затравочного кристалла и тигля с расплавом, объема тигля, а также наличия магнитного поля в ходе непосредственного роста [3], [4]. Традиционно данные параметры анализируются с помощью методик селективного травления и рентгеноструктурного анализа [5], но данные методики не позволяют составить картину распределения дефектов, а помогают лишь констатировать их наличие в той или иной области. Решением данной проблемы может стать применение рентгеновской топографии, которая нашла широкое применение в материаловедении [6].

Методы и принципы исследования

В качестве экспериментальных образцов были взяты пластины арсенида галлия и кремния, отрезанные от соответствующих слитков, выращенных методом Чохральского в кристаллографическом направлении (100). Резка образцов производилась на установке «Алмаз-6», позволяющей производить работу с кристаллами различного диаметра. Скорость вращения диска составляла 600 оборотов в минуту.

Рентгено-топографический анализ производился на рентгеновском дифрактометре «ДРОН-7» с использованием медного излучения и параметрами 30 кВ и 10 мА в рабочем режиме. Сканирования производилось по одному из диаметров пластин со скоростью 15 мм/мин. В каждом положении были построены кривые качания (см. рисунок 1) в диапазоне 2 градусов от табличного значения дифракционного угла θ для пластин (см. таблицу 1).

 

Таблица 1 – Дифракционные углы для плоскостей семейства (100)

Материал	Параметр решетки а, Å	Угол отражения θ, градусы
Si	5.43	34.57
GaAs	5.65	33.02

Рис. 1 – Типичная геометрия экспериментальной кривой качания

Падение интенсивности рентгеновского излучения в ходе перемещения пластины относительно пучка рентгеновских квантов говорит о повышенном вкладе диффузионного рассеяния, а, следовательно, и о повышенной плотности структурных несовершенств, вызывающих такие изменения. На рисунках 2 и 3 показана зависимость интенсивности от координаты образца.

Рис. 2 – Зависимость интенсивности от координаты для Si

Рис. 3 – Зависимость интенсивности от координаты для GaAs

Как видно из рисунков 2 и 3, наблюдается четкое изменение интенсивности в ходе движения от одного края образца к другому. Разница в числе точек построения кривой качания для образцов связана с различием в диаметре пластин: пластины из арсенида галлия и кремния составили 55 и 45 миллиметров в диаметре, соответственно. Помимо характерного для монокристаллов градиента концентрации дефектов, проиллюстрированного изменением интенсивности, видна разница в геометрии кривых, представленных на рисунках выше. У монокристаллического кремния прослеживается четко выраженный максимум интенсивности, соответствующий наиболее кристаллографически совершенной области, что совпадает с данными, теоретически обоснованными в [1]. Однако, у арсенида галлия (рис. 3) наблюдается зависимость с двумя характерными максимумами, такая закономерность характерна для данного соединения [7].

Наряду с анализом изменения интенсивности предложенная нами методика рентгеновской топографии позволяет оценивать в динамике изменение полуширины рентгеновских максимумов. Повышенное значение данного параметра может свидетельствовать о высокой мозаичности участка кристалла, т.е. о степени разупорядоченности кристаллической решетки [8]. Результаты анализа данной характеристики представлены на рисунках 4 и 5.

Рис. 4 – Экспериментальная зависимость полуширины от координаты для кристалла из Si

Рис. 5 – Экспериментальная зависимость полуширины от координаты для кристалла из GaAs

Из рисунков 4 и 5 видно, что для кремния характерно более низкое значение полуширины, что, как уже было отмечено выше, объясняется менее сложным процессом выращивания таких монокристаллов. Также можно заметить, что тогда как для кремния данные лежат в диапазоне от 200 до 250 угловых секунд, то для арсенида галлия виден максимум данной величины, соответствующий положению 3 (области с наибольшей мозаичностью) и составивший 400 угловых секунд. Данная экспериментальная зависимость подтверждает результаты, основанные на селективном, что также является обоснованием пригодности и информативности применения методики рентгеновской топографии для анализа градиента концентрации дефектов в полупроводниковых монокристаллах.

Обсуждение

Предложенный нами подход к рентгенотопографическому анализу позволяет получить достаточно большой набор данных, позволяющих сделать вывод о концентрации дефектов и характере их распределения. Как отмечается в [8], помимо вышеобозначенных характеристик, построение кривых качания может позволить детектировать возникновение дислокационной ячеистой структуры по значительному уширение рентгеновских максимумов и размытию четкого максимумы на два, но на данный момент, из-за отсуствия точной теоретической модели, внедрения данной методики в рентгеновскую топографию не является возможным.

Применения схожего подхода отмечено в работе [9], главной целью которой был точечный анализ отдельных дислокаций в арсениде галлия и детектирования формирования ячеистой структуры. Выбранная авторами вариация рентгеновской топографии обладает большей разрешаюшей способностью, но не позволяет получать дополнительных необходимых для производства данных, являясь при этом значительно более энергоемкой.

Аналогично в работе [10] были детектированы искажения решетки в нелегированном арсенида галлия и легированном индием. Применение рентгеновской топографии позволило определить наличие большой плотности дислокаций, которая могла привести к образованию субзеренной структуры. В отличие от нашей подхода, характеристики рентгеновского максимума не были проанализированы в динамике, что не позволило получить четкую картину распределения дефектов, а лишь определить их количество.

В [11] авторы применяют рентгеновскую топографию для сравнения особенностей дефектов кристаллического строение на основе (монокристаллическом арсениде галлия) и на нанесённой эпитаксии. Данный способ является также более энергоемким и в рамках производственных реалиях не несет дополнительной важной информации относительно предложенного нами подхода.

Заключение

В ходе экспериментальной и аналитической работы было показано, что: 1) Данные, полученные с помощью рентгеновской топографии, совпадают с теоретически обоснованными зависимостями и данными, полученными с помощью классических методик исследования – селективным травлением и рентгеноструктурным анализом; 2) Применение рентгеновской топографии позволяет получать наглядную картину распределения структурных несовершенств в монокристаллических пластинах, что, в свою очередь, может позволить качественно оценить подбор параметров роста и внести необходимые коррективы в случае возникновения областей с высокой плотностью дефектов.

Список литературы / References 1. Горелик С. С. Материаловедение полупроводников и диэлектриков / С. С. Горелик, М. Я. Дашевский. – 2003. 2. Мильвидский М. Г. Механизм формирования неоднородности в нелегированных монокристаллах арсенида галлия, полученных методом Чохральского / М. Г. Мильвидский, Н. С. Рытова, Е. С. Юрова // Физика и техника полупроводников. – 1988. – Т. 22. – №. 6. – С. 1004-1010 3. Riedling K. Autonomous liquid encapsulated Czochralski (LEC) growth of single crystal GaAs by “intelligent” digital control / K. Riedling // Journal of crystal growth. – 1988. – Vol. 89. – №. 4. – P. 435-446. 4. Федюшкин А. И. Влияние вибраций на конвекцию Марангони при выращивании кристаллов по методу Чохральского / А. И. Федюшкин, Н. Г. Бураго // Междисциплинарные проблемы механики и других естественных наук. – 2016. – С. 34. 5. Горелик С. С. Рентгенографический и электронографический анализ: практ. рук-во / С. С. Горелик. – 1970. 6. Шульпина И. Л. Рентгеновская дифракционная топография в физическом материаловедении / И. Л. Шульпина, И. А. Прохоров // Кристаллография. – 2012. – Т. 57. – №. 5. – С. 740-740.) 7. Марков А. В. Комплексообразование и термостабильность электрофизических свойств монокристаллов полуизолирующего GaAs / А. В. Марков, М. Г. Мильвидский // Физика и техника полупроводников. – 1984. – Т. 18. – №. 3. – С. 465-470 8. Орлова Г.Ю. Исследование влияния структурного несовершенства кристаллов ванадатов редкоземельных элементов на их генерационные характеристики в лазерах с полупроводниковой накачкой: дис. канд. тех. Наук / Г.Ю. Орлова: 05.27.03. М., 2013. 9. Tuomi T. Synchrotron X-ray topography of undoped VCz GaAs crystals / T. Tuomi et al. // Journal of crystal growth. – 2002. – Vol. 237. – P. 350-355. 10. Kitano T. X-ray topography examination of lattice distortions in LEC-grown GaAs single crystals / T. Kitano, J. Matsui, T. Ishikawa // Japanese journal of applied physics. – 1985. – Vol. 24. – №. 12A. – P. L948. 11. Barnett S. J. In situ X-ray topography studies during the molecular beam epitaxy growth of InGaAs on (001) GaAs: effects of substrate dislocation distribution on strain relaxation / S. J. Barnett et al. // Journal of Physics D: Applied Physics. – 1995. – Vol. 28. – №. 4A. – P. A17. Список литературы на английском языке / References in English 1. Gorelik S. S. Materialovedenie poluprovodnikov i diehlektrikov [Materials Science of Semiconductors and Dielectrics] / S. S. Gorelik, M. Ya. Dashevsky. – 2003 [in Russian] 2. Milvidsky M. G. Mekhanizm formirovanija neodnorodnosti v nelegirovannykh monokristallakh arsenida gallija, poluchennykh metodom Chokhral'skogo [The Mechanism of Inhomogeneity Formation in Unalloyed Single Crystals of Gallium Arsenide Obtained by the Chokhralsky Method] / M. G. Milvidsky, N. S. Rytova, E. S. Yurova // Fizika i tekhnika poluprovodnikov [Physics and Technology of Semiconductors]. - 1988. - Vol. 22. - no. 6, pp. 1004-1010 [in Russian] 3. Riedling K. Autonomous liquid encapsulated Czochralski (LEC) growth of single crystal GaAs by “intelligent” digital control / K. Riedling // Journal of crystal growth. – 1988. – Vol. 89. – №. 4. – P. 435-446. 4. Fedyushkin A. I. Vlijanie vibracijj na konvekciju Marangoni pri vyrashhivanii kristallov po metodu Chokhral'skogo [Influence of Vibrations on Marangoni Convection in Crystal Growth by the Czochralski Method] / A. I. Fedyushkin, N. G. Burago // Mezhdisciplinarnye problemy Mekhaniki I Drugikh Estestvennykh NAUK [Interdisciplinary Problems Of Mechanics And Other Natural Sciences]. - 2016. - p. 34 [in Russian] 5. Gorelik S. S. Rentgenograficheskijj i ehlektronograficheskijj analiz: prakt. ruk-vo [Radiographic and Electronographic Analysis: A Manual] / S. S. Gorelik – 1970 [in Russian] 6. Shulpina I. L. Rentgenovskaja difrakcionnaja topografija v fizicheskom materialovedenii [X-Ray Diffraction Topography in Physical Materials Science] / I. L. Shulpina, I. A. Prokhorov // Kristallografija [Crystallography]. - 2012. - Vol. 57. - no. 5. - p. 740 [in Russian] 7. Markov A. V. Kompleksoobrazovanie i termostabil'nost' ehlektrofizicheskikh svojjstv monokristallov poluizolirujushhego GaAs [Complex Formation and Thermal Stability of Electrophysical Properties of Single Crystals of Semi-Insulating Gaas] / A. V. Markov, M. G. Milvidsky // Fizika i tekhnika poluprovodnikov [Physics and Technology of Semiconductors]. - 1984. - Vol. 18. - no. 3, pp. 465-470 [in Russian] 8. Orlova G. Yu. Issledovanie vlijanija strukturnogo nesovershenstva kristallov vanadatov redkozemel'nykh ehlementov na ikh generacionnye kharakteristiki v lazerakh s poluprovodnikovojj nakachkojj [An Investigation of the Effect of Structural Imperfection of Rare-Earth Element Vanadate Crystals on Their Generation Characteristics in Semiconductor Pump Lasers]: Candidate's thesis. Engineering Sciences: 05.27.03 / G. Yu. Orlova. Moscow, 2013 [in Russian] 9. Tuomi T. Synchrotron X-ray topography of undoped VCz GaAs crystals / T. Tuomi et al. // Journal of crystal growth. – 2002. – Vol. 237. – P. 350-355. 10. Kitano T. X-ray topography examination of lattice distortions in LEC-grown GaAs single crystals / T. Kitano, J. Matsui, T. Ishikawa // Japanese journal of applied physics. – 1985. – Vol. 24. – №. 12A. – P. L948. 11. Barnett S. J. In situ X-ray topography studies during the molecular beam epitaxy growth of InGaAs on (001) GaAs: effects of substrate dislocation distribution on strain relaxation / S. J. Barnett et al. // Journal of Physics D: Applied Physics. – 1995. – Vol. 28. – №. 4A. – P. A17.