HAL Id: jpa-00245580
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Submitted on 1 Jan 1987
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Les propriétés électriques de la macle Σ = 25 du silicium et leur évolution en fonction de traitements de recuit
A. Broniatowski
To cite this version:
A. Broniatowski. Les propriétés électriques de la macle Σ = 25 du silicium et leur évolution en fonction
de traitements de recuit. Revue de Physique Appliquée, Société française de physique / EDP, 1987,
22 (7), pp.585-590. �10.1051/rphysap:01987002207058500�. �jpa-00245580�
Les propriétés électriques de la macle 03A3
=25 du silicium et leur évolution
enfonction de traitements de recuit
A. Broniatowski
Groupe
dePhysique
des Solides del’E.N.S.,
Université Paris VII, Tour23,
2pl. Jussieu,
75251 Paris Cedex
05,
France(Reçu
le 3février 1987, accepté
le 4 mars1987)
Résumé. 2014 On étudie l’influence de traitements
thermiques
sur lespropriétés électroniques
de la macle 03A3 = 25 dusilicium,
pour différentesatmosphères
de recuit(azote
ou argon + vapeurd’eau)
et destempératures comprises
entre 450 °C et 900 °C. L’activitéélectrique
dujoint
est associée à laprécipitation d’impuretés,
mise en évidence par des observations enmicroscopie électronique
en transmission. La mesuredes densités d’états d’interface par
spectroscopie capacitive (D.L.T.S.)
faitapparaître d’importantes
variationssuivant la nature de
l’atmosphère
de recuit. La nature desimpuretés
en cause demeure toutefois à déterminer.Abstract. 2014 The electronic
properties
of the 03A3 = 25 twinboundary
in silicon are studied as a function of heat treatments, for different gas ambients(nitrogen
or argon + water vapourflow)
andannealing
temperatures between 450 °C and 900 °C. The electricalactivity
of theboundary
correlates with the formation ofimpurity precipitates
as evidencedby
transmission electronmicroscope
observations. Thedensity
of theboundary
statesas measured
by Deep
Level TransientSpectroscopy (D.L.T.S.),
shows a strongdependence
on the nature ofthe gas ambient. The nature of the
impurities
involved remains however to be determined.Classification
Physics
Abstracts71.55F - 72.20J - 73.40L
1. Introduction
Une série de travaux récents sont venus montrer
l’importance
de laségrégation d’impuretés
pour déterminer l’activitéélectrique
desjoints
degrains
dans le silicium
polycristallin [1, 2].
Le bicristalconstitue pour ce
type
d’études unsystème modèle, comportant
unjoint cristallographiquement
biendéfini et que l’on sait
préparer
dans des conditionsreproductibles.
Pour cetravail,
on s’est intéressé auxpropriétés
de la macle 03A3 = 25 du silicium dans des bicristaux detype
n et p, et à leur évolution enfonction de traitements de recuit. L’étude de ces
propriétés
recouvre en faitplusieurs aspects :
mesure des niveauxélectroniques
d’interface d’unepart,
mais aussi étude de la distribution dudopant
et desniveaux
profonds
dans la zone decharge d’espace
dujoint (Fig. 1).
On s’est d’abord attaché àdévelopper
un ensemble de
techniques
de mesuresélectriques
de ces
grandeurs,
basées sur laspectroscopie capaci- tive,
et dont leparagraphe
2présente
unexposé
succinct. Le
paragraphe
3 donne ensuite unedescrip-
tion des traitements
thermiques
réalisés sur lesFig.
1. - Courbure des bandesd’énergie (B.V.
= bandede
valence,
B.C. = bande deconduction)
auvoisinage
d’un
joint
dans un bicristal de type n. Outre les états d’interfaceremplis jusqu’au
niveau de Fermi(Ef),
sontégalement représentés
lesimpuretés dopantes
ioniséespositivement (+)
et les niveauxprofonds
dans levoisinage
du
joint (o/a
= niveauxvacants/occupés
par lesélectrons).
[Bending
of the energy bands at agrain boundary
in n-type material(B.V.
= valenceband ;
C.B. = conductionband).
In addition to the interface states filled to the Fermi level(Ef),
thedoping impurities (+)
and thedeep
levelsin the
vicinity
of theboundary
are alsorepresented (~/2022 = vacant/occupied levels).]
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/rphysap:01987002207058500
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bicristaux et de l’évolution
correspondante
des densi-tés d’états d’interface. Le
paragraphe
4présente
enfin une
première
discussion des résultats obtenus : les états d’interface sont effectivement associés à laprécipitation d’impuretés
au cours desrecuits,
miseen évidence d’autre
part
par des observations enmicroscopie électronique
en transmission. La nature desimpuretés
en cause demeure toutefois encoreinconnue,
leur identification devantimpliquer
àl’avenir l’utilisation de
techniques
demicroanalyse
en
conjonction
avec les mesuresélectriques.
2. Méthodes de mesure des
propriétés électroniques
du
joint
degrains.
2.1 LA MESURE DES NIVEAUX
ÉLECTRONIQUES
D’INTERFACE PAR SPECTROSCOPIE CAPACITIVE
(D.L.T.S.
OU DEEP LEVEL TRANSIENT SPECTROS-COPY).
- Nous nous limiterons dans ceparagraphe
à une
rapide exposition
de latechnique
D.L.T.S.[3]
appliquée
à la mesure despièges
localisés auxjoints
de
grains.
L’utilisation de cettetechnique
a fait par ailleursl’objet d’exposés
détaillés[4, 5]. L’expé-
rience de base
sur
le bicristal consiste àappliquer
àtravers le
joint
desimpulsions périodiques
de ten-sion,
destinées à varier leremplissage électronique
des niveaux d’interface. Entre deux
impulsions
suc-cessives,
lacharge
dujoint
relaxe versl’équilibre
par émissionthermique
desporteurs
en excès. La relaxa-tion de la
charge
est détectée par la variationcorrespondante
de lacapacité
dujoint.
Lesignal
D.L.T.S. s’obtient par
filtrage
des transitoires decapacité
au moyen d’undispositif
corrélateur à deuxportes (moyenneur
boxcar ouamplificateur
à détec-tion
synchrone. L’enregistrement
de cesignal
enfonction de la
température
de l’échantillon constitue lespectre
D.L.T.S. des états d’interface.La
figure
2areprésente
ainsi lespectre
obtenu pour le cas d’un bicristal detype
p(échantillon 2-1)
soumis à un recuit de 2 heures à 900 °C sous
circulation
d’argon
+ vapeur d’eau. Lespectre
consiste ici en unsimple pic,
montrant que la densité d’états se réduit à un niveau d’interfaceunique.
Fig.
2. -(a) Spectre
D.L.T.S. des états d’interface pourun bicristal de type
p,
recuitpendant
2 heures à 900 °Csous circulation
d’argon
+ vapeur d’eau.Amplitude
desimpulsions
deremplissage
despièges :
80 V. Duréed’impulsion:
10 ms. Taux d’émission: 56s-1. (b) Signa-
ture des états d’interface, donnant un niveau
unique
à 0,51 eV du haut de la bande de valence.[(a)
D.L.T.S. spectrum of theboundary
states for a p-typebicrystal,
annealed for 2 hours at 900 °C under argon + water vapour flow.Filling pulse amplitude :
80 V. Pulse duration : 10 ms. Emission rate : 56 s-1. (b) Signature
ofthe
boundary
states,giving
asingle
trap level at 0.51 eV above the top of the valenceband.] ]
L’étude
quantitative
donne pour cepiège
un niveaud’énergie
à0,51
eV du haut de la bande de valence(Fig. 2b),
avec une densité de 9 x1011 cm- 2.
Lafigure
3areprésente
unexemple
despectre plus
compliqué,
obtenu pour le cas d’un bicristal detype
Fig.
3. -(a) Spectre
D.L.T.S. pour un bicristal de type p, recuitpendant
24 heures à 900 °C sous circulation d’azote.Amplitude
desimpulsions
deremplissage :
100 V. Duréed’impulsion:
100 ms. Taux d’émission:4 s-1. (b) La
densité d’états
correspondante.
[(a)
D.L.T.S. spectrum of theboundary
states for a p-typebicrystal,
annealed for 24 hours at 900 °C undernitrogen
flow.
Filling pulse amplitude :
100 V ;pulse
duration :100 ms. Emission rate : 4
s-1. (b)
Thedensity
of statescorresponding
to the spectrum(a).]
p recuit
pendant
24 heures à 900 °C sous circulation d’azote(échantillon 2-7).
La déconvolution de cespectre
repose sur uneanalyse
des transitoires d’émission de forme nonexponentielle,
associés à uncontinuum d’états d’interface
(A. Broniatowski,
àparaître).
On obtient ainsi la forme de densité d’étatsreprésentée
par lafigure 3b,
avec une densité voisine de1012 eV-1 CM- 2
dans le domaine d’éner-gies comprises
entre0,25
et0,6
eV du haut de la bande de valence. La densité d’étatsprésente
unmaximum accentué à
0,18
eV de la bande devalence,
associé à unpiège
dont la densité est estimée à2 x
1011 cm- 2.
Le nombre total de niveaux d’inter- face(obtenu
en évaluant l’aire sous la courbe de densitéd’états) est
ici encore de l’ordre de1012 cm- 2. Enfin,
de la mesure combinée desspectres
D.L.T.S. et descaractéristiques
courant-tension dujoint
degrains,
on déduit la valeur des sectionsde capture
des états d’interface en fonction del’énergie.
Dans le cas
présent,
les sections decapture
sont dequelques 10- 14 cm2,
avec une variation relativement faible en fonction del’énergie.
2.2 MESURE DE LA DENSITÉ DU DOPANT AU VOISI- NAGE DU JOINT. - La connaissance de la
répartition
du
dopant
auvoisinage
dujoint
offre un intérêtintrinsèque
pour l’étude de laségrégation
aujoint d’espèces électriquement
actives. Elle intervientaussi dans l’évaluation
quantitative
des densités d’états d’interface. La détermination duprofil
deconcentration du
dopant
auvoisinage
dujoint
reposesur un effet de mémoire de
charge [6] :
àtempérature
suffisamment basse
(azote liquide
ouinférieure),
letemps
depiégeage
desporteurs
aux niveaux dujoint
s’accroît pour atteindre des valeurs mesurées en
jours,
voire en mois ou en années. Il devient alorspossible
de réaliser des états horsd’équilibre,
où lacharge
dujoint
conserve une valeur fixe vis-à-vis de variations de latension appliquée
au bicristal. On montre que dans ces conditions lacapacité
dujoint
et ses variations en fonction de la tension
appliquée dépendent
seulement de la distributionspatiale
dudopant
auvoisinage
dujoint (A. Broniatowski,
àparaître).
Il s’ensuit unprocédé
d’évaluationquanti-
tative du
profil
de concentration dudopant
auvoisinage
dujoint,
fondé sur l’utilisation des courbescapacité-tension
dujoint
degrains.
A titre d’exem-ple,
lafigure
4représente
leprofil
obtenu pour un bicristal detype
n, recuitpendant
2 heures à 900 °Csous circulation
d’argon
+ vapeur d’eau. On constate que la densité dudopant
est constante en fonction de la distance aujoint,
sur un domainecompris
entre1,4
et 4 microns environ duplan
de l’interface. Une étudeplus complète
desprofils
pour différentes conditions de recuit montre que larépartition
dudopant
est en faithomogène jusqu’au plan
même dujoint,
avec une densitéégale
à celle dudopage
envolume du
bicristal,
soit ici3,6
x1014
atomes dephosphore
parcm3.
Fig.
4. - Distributionspatiale
dudopant
déduite demesures
capacitives,
pour un bicristal de type n(dopage phosphore)
recuitpendant
2 heures à 900 °C sous circula-tion
d’argon
+ vapeur d’eau. La densité dudopant
estconstante en fonction de la distance au
joint,
sur undomaine
compris
entre1,4
et 4 microns duplan
d’inter-face.
[Dopant spatial
distribution as deduced fromcapacitive
measurements, for an n-type(phosphorus doped) bicrystal
annealed for 2 hours at 900 °C under argon + water vapour flow. The
dopant density
is constant as a functionof the distance to the
interface,
between 1.4 and 4 microns from theboundary plane.]
588
2.3 DISTRIBUTION SPATIALE DES PIÈGES AU VOISI- NAGE DU JOINT. - La distinction entre les niveaux d’interface
proprement dits,
et lespièges
situés dans levoisinage
dujoint (Fig. 1)
repose sur lacomparai-
son des
spectres
D.L.T.S. obtenus pour différentes conditions depolarisation
du bicristal[5].
Demanière
plus précise,
on montre(A. Broniatowski,
àparaître)
que leprofil
de concentration despièges
auvoisinage
dujoint
s’obtient par uneprocédure calquée
sur celle courammentemployée
pour le cas de la barrière deSchottky [7].
Lafigure
5représente
ainsi pour l’échantillon 2-7
(voir plus haut)
leprofil
de concentration d’un niveau
profond
en fonction de la distance à l’interface. La densité dupiège
est del’ordre de
1012 cm- 3, sensiblement
constante dans le domaine accessible à la mesure. On remarque ici lagrande
sensibilité de latechnique D.L.T.S.,
la concentration du défaut étant seulement le millième du taux dedopage
du bicristal(8
x1014
at de borepar
cm3).
La nature dupiège
enquestion
demeuretoutefois
inconnue,
lestechniques
de mesures électri-ques étant à elles seules
impuissantes
à la détermi-ner.
3. Effets de traitements
thermiques
sur lespropriétés électroniques
dujoint
degrains.
3.1 DESCRIPTION DES BICRISTAUX ET DES TRAITE- MENTS THERMIQUES RÉALISÉS SUR LES ÉCHANTIL-
LONS. - Nous avons étudié les
propriétés
dujoint
de
macle X
=25, joint
de flexion de moyenne désorientation défini comme suit :plan
dujoint {710} ;
axe de flexion~001~ ; angle
de désorienta- tion16,26°.
Troistypes
différents d’échantillons ont étéétudiés,
avec lesdopages
suivants :a)
Bicristal detype
n,dopé
auphosphore (3,6
x1014
at parcm3, correspondant
à une résistivité à l’ambiante de13,5 ohm-cm).
,
b)
Bicristal detype
p,dopé
au bore(8,0
x1014
atpar
cm 3 correspondant
à une résistivité de16,5 ohm-cm).
c)
Bicristal detype
p,dopé
au bore(1,9
x1016
atpar
cm 3 correspondant
à une résistivité de0,88 ohm-cm).
Ces bicristaux ont été obtenus par
tirage
Czochral-ski,
àpartir
de germes convenablement orientés[8].
Les teneurs en
oxygène
interstitiel et en carbone substitutionnel d’échantillons bruts de croissance ont été mesurées parabsorption infrarouge
et trouvéesde
quelque 1017 cm- 3
pour les deuxtypes d’impure-
tés. Pour
chaque type
dedopage,
une série d’échan- tillons a étépréparée
et des recuits effectués souscirculation d’azote aux
températures
suivantes : 450 °C(24 heures) ;
650 °C(120 heures) ;
750 °C(24 heures) ;
900 °C(24 heures).
Pourcomparaison,
des recuits
complémentaires
ont été réalisés à 900 °Csous circulation
d’argon
+ vapeur d’eau pour deux durées différentes : 2 et 24 heures.Fig.
5. - Concentration d’unpiège
enfonction
de ladistance au
joint,
obtenuepar
des mesures de D.L.T.S.Echantillon de type p, recuit
pendant
24 heures à 900 °Csous circulation d’azote. Niveau du
piège
situé à0,41
eVdu haut de la bande de valence. Les fluctuations de densité entrent dans la barre d’erreur de
la
mesure(de
2 à3 x
1011 cm-3).
[The
trapdensity
as a function of the distance to theboundary plane
as obtainedby
D.L.T.S.experiments.
p- typespecimen,
annealed for 24 hours at 900 °C undernitrogen
flow. The trap level is located at 0.41 eV from the top of the valence band. The fluctuations of the trapdensity
vs. distance are within the error bar of the measurement(
~ 2 to 3 x1011 cm-3).]
3.2 RÉSULTATS DES MESURES
ÉLECTRIQUES
EN FONCTION DES CONDITIONS DE RECUIT. - Nousnous bornerons à une
présentation
d’ensemble desrésultats, l’exposé
détaillé devant fairel’objet
deprochaines publications.
a)
Densité dudopant
en fonction de la distanceau
joint
degrains.
Celle-ci est constante pour les différents échantillonsétudiés,
avec une valeurégale
à celle du
dopage
en volume des bicristaux. Les traitementsthermiques
neparaissent
donc pas affec- ter larépartition
dudopant
entre lejoint
et levolume des
grains.
Enparticulier,
il n’a pas été constaté deségrégation
dudopant
aujoint
à la suitedes recuits.
b)
Activitéélectrique
dujoint
et corrélation avecla
précipitation d’impuretés.
Leséchantillons
bruts decroissance,
ainsi que ceux recuits à450 °C,
nemontrent pas d’effet de barrière détectable. En
revanche,
les effets de barrière se manifestent dans tous les échantillons recuits àtempérature supérieure
ou
égale
à 650 °C. L’activitéélectrique
dujoint
estassociée à la
précipitation d’impuretés,
mise d’autrepart
en évidence par des observations enmicroscopie
électronique
en transmission(Fig. 6).
Ces résultats sont àrapprocher d’observations analogues
sur lesFig.
6. -Micrographie électronique
de la macle X =25
du
silicium,
montrant unprécipité
à l’interface des deuxgrains.
Lame mince{710} .
Bicristal recuit sous circulationd’argon
+ vapeur d’eau. Leplan
de la lame mince a été incliné de 40degrés
par rapport au faisceaud’électrons,
demanière à faire
apparaître
la texturegranuleuse
dupréci- pité. (Cliché
J. L.Maurice,
C.N.R.S.Bellevue).
[Electron micrograph
of the 2 = 25 twinboundary,
show-ing
aprecipitate
within theboundary plane.
Plane of the foil:{710}. Bicrystal
annealed under argon + water vapour flow. The foil was inclinedby
40degrees
from theelectron
beam,
in order to show thegranular
texture ofthe
precipitate. (Micrograph
courtesy J. L.Maurice,
C.N.R.S.
Bellevue).]
macles X
= 9et 03A3
= 25 dusilicium,
combinant destopographies
en rayons X à lamicroscopie
électroni-que en transmission et à
balayage
en mode EBIC(Electron
Beam Induced Current ou Courant Induitpar le Faisceau
d’Electrons) [9].
Laprécipitation d’impuretés paraît
ainsi avoir un effet déterminantsur l’activité
électrique
desjoints
degrains
dans lesilicium.
c)
Densités d’états d’interface. Les recuits souscirculation d’azote font
apparaître
dans les bicristauxde
type
n comme detype
p, un continuum d’étatsavec une densité de
quelque 1012 eV-1 cm- 2.
On retrouve la même forme de densité d’états aux troistempératures
de recuit 650°C,
750 °C et 900 °C. Enrevanche,
les recuits sousatmosphère d’argon
+vapeur d’eau font
apparaître
despièges
de naturebien
différente,
avec un niveau d’interfaceunique plutôt qu’un
continuum d’états. Le nombre total d’états demeure toutefois du même ordre de gran- deur dans tous les cas, soit dequelques 1011
à1012
parcm2
de surface dujoint.
d)
Sections decapture.
Celles-ci se situent entre10-14
etquelques 10-13 cm2,
avec une variationrelativement peu
importante
en fonction del’énergie
du niveau considéré.
e)
Centresprofonds
situés dans levoisinage
dujoint.
Ceux-ci sont en nombre faible vis-à-vis desétats d’interface
proprement dits,
les résultatspré-
sentés au
paragraphe
2.3 étanttypiques
de l’ensem-ble des échantillons.
4. Discussion et conclusion.
Les résultats que nous avons
présentés
montrentl’effet déterminant des traitements de recuit sur
l’activité
électrique
de lamacle X
= 25 du silicium.Les mesures
électriques, jointes
aux observations enmicroscopie électronique,
établissent sans doutepossible
une corrélation entre laprécipitation d’impuretés
et l’activitéélectrique
dujoint
degrains.
Le nombre total d’états mesurés par D.L.T.S. est de
quelques 1011
à1012
parcm2
pour destempératures
de recuit
comprises
entre 650° et 900 °C. La formedétaillée de la densité d’états d’interface
dépend
peu de latempérature
de recuit dans cetintervalle,
maisest en revanche
particulièrement
serisible à la nature du gaz ambiant(azote
ou argon + vapeurd’eau).
Laquestion
se pose dèslors,
depréciser
la nature desimpuretés
déterminant l’activitéélectrique
dujoint.
Les conditions de formation des états d’interface
permettent
d’exclure un effet lié à laségrégation
dudopant (phosphore
dans les bicristaux detype n,
bore dans ceux detype p)
aujoint
degrains.
Eneffet,
les recuits à 650 °C suffisent à induire l’activitéélectrique
dujoint,
alorsque
la diffusionvolumique
du bore et du
phosphore
à cettetempérature
demeure tout à fait
négligeable.
Parmi lesimpuretés susceptibles
deprécipiter
aujoint figurent
en revan-che
l’oxygène
et le carbone[2], présents
à desteneurs relativement élevées
(quelque 1017 cm- 3)
dans les bicristaux. La variabilité des densités d’états obtenues suivant la nature de
l’atmosphère
de recuitdoit
également
conduire àsuspecter
un effet de contamination des échantillons par desimpuretés exogènes.
Lamicroanalyse
desprécipités,
menée enliaison avec les mesures
électriques pourrait permet-
tre à l’avenir de clarifier les éléments de ce
problème.
Remerciements.
Ce travail a été
partiellement
financé par EdF sous contrat n° 1B5520. L’auteur est reconnaissant à F.Battistella et A. Rocher
(C.N.R.S. Toulouse)
deleur aide pour les
traitements
de recuit des échantil-lons,
àA.
Gervais(Université Paris VI)
et J. L.Maurice
(C.N.R.S. Bellevue) pour
les observations dujoint
enmicroscopie électronique
en transmis-sion,
ainsiqu’à B. Pajot (G.P.S.-E.N.S.)
pour ledosage
du carbone et del’oxygène
des bicristaux parspectrométrie infrarouge.
590
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voir C.R.M.Grovenor,
J.Physique Colloq.
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par CRISTALTEC(Centre
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