CORRELATION ENTRE CONTRASTES EN EBIC ET STRUCTURE CRISTALLOGRAPHIQUE DES JOINTS DE GRAINS DANS LE SILICIUM

HAL Id: jpa-00221767

https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00221767

Submitted on 1 Jan 1982

HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.

L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.

CORRELATION ENTRE CONTRASTES EN EBIC ET STRUCTURE CRISTALLOGRAPHIQUE DES

JOINTS DE GRAINS DANS LE SILICIUM

C. Dianteill, A. Rocher

To cite this version:

C. Dianteill, A. Rocher. CORRELATION ENTRE CONTRASTES EN EBIC ET STRUCTURE

CRISTALLOGRAPHIQUE DES JOINTS DE GRAINS DANS LE SILICIUM. Journal de Physique

Colloques, 1982, 43 (C1), pp.C1-75-C1-82. �10.1051/jphyscol:1982111�. �jpa-00221767�

CORRELATION ENTRE CONTRASTES EN EBIC ET STRUCTURE CRISTALLOGRAPHIQUE DES JOINTS DE GRAINS DANS L E S I L I C I U M

C. Dianteill et A. Rocher

Laboratoire dfOptique Electronique du C.N.R.S.+, B.P. 4347, 31055 TouZouse Cedex, France

RESUME

A f i n d ' e t a b l i r des r e l a t i o n s e n t r e l ' a c t i v i t e e l e c t r i q u e e t l a s t r u c t u r e c r i s - t a l l i n e des j o i n t s de g r a i n s dans l e s i l i c i u m , des e c h a n t i l l o n s p o l y c r i s t a l l i n s e t b i c r i s t a l l i n s o n t

e t e

observes en ElEB en mode i n d u i t (EBIC) e t en MET bas- se (120KeV) e t haute t e n s i o n (2MeV).

La p l u p a r t des j o i n t s de g r a i n s 6 t u d i e s donnent l i e u

a

un f o r t c o n t r a s t e en EBIC. Cependant, parmi ceux observes, un c e r t a i n nombre presente un c o n t r a s t e en EBIC f a i b l e ou nu1 auquel nous associons une t r P s f a i b l e a c t i v i t e G l e c t r i - que. Ces j o i n t s o n t tous &tC c a r a c t e r i s e s c o m e des j o i n t s coherents. Leurs r e - l a t i o n s de d e s o r i e n t a t i o n i n t e r g r a n u l a i r e sont de coincidence e t l e u r s i n t e r f a - ces correspondent aux plans de symetrie associ6s 3 ces r e l a t i o n s de coincidence.

Ces observations o n t

e t @

f a i t e s pour des j o i n t s de coincidence X9 e t C25.

ABSTRACT

The e l e c t r i c a l a c t i v i t y and c r y s t a l l i n e s t r u c t u r e o f g r a i n boundaries i n p o l y - c r y s t a l l i n e and b i c r y s t a l l i n e s i l i c o n have been s t u d i e d by means of SEM-EBIC and TEM-HVEM. Most o f t h e g r a i n boundaries i n v e s t i g a t e d show a s t r o n g EBIC con- t r a s t . Nevertheless, some o f them present a very low EBIC c o n t r a s t o r none a t a l l which can be associated w i t h a v e r y weak e l e c t r i c a l a c t i v i t y . T h e i r i n t e r - g r a n u l a r m i s o r i e n t a t i o n r e l a t i o n s h i p s can be described i n terms o f coincidence s i t e l a t t i c e s and t h e i r i n t e r f a c e s correspond t o symmetry planes o f such miso- r i e n t a t i o n ~ .

These observations have been made f o r coincidence boundaries 19 and 225.

INTRODUCTION

Nous avons couple l e s etudes en microscopie e l e c t r o n i q u e

a

balayage en mode i n d u i t (EBIC) avec c e l l e s en microscopie en transmission ?i basse t e n s i o n (120 KeV) TEM e t haute t e n s i o n ( 2 MeV) HVEM a f i n d ' e t u d i e r l e s r e l a t i o n s e n t r e l e s p r o p r i @ t @ s e l e c t r i - ques e t l a c r i s t a l l o g r a p h i e des defauts dans l e s semiconducteurs.

A l a s u i t e de nombreux travaux deja r e a l i s e s dans ce domaine en p a r t i c u l i e r p a r Fathy e t Valdre

[ I ] ,

Heydenreich e t a1 [2], Young e t a1 [ 3 1 , nous nous somes inti2ressi.s B 1 'etude des j o i n t s de g r a i n s dans l e s i l i c i u m p o l y c r i s t a l l i n e t b i c r i s t a l l i n .

+ ~ a b o r a t o i r e Propre, AssociE 3 1'UniversitE Paul Sabatier, Toulouse.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1982111

C1-76 JOURNAL DE PHYSIQUE

Malgre quelques etudes theoriques entreprises recemment, notamment par Donolato

[41,

s u r l e s contrastes obtenus par l a technique EBIC, c e t t e derniere e s t encore une metho- de d'analyse principalement qua1 i t a t i v e de 1 'a c t i v i t e Glectrique des defauts, donc des recombi naisons e t des piegeages des porteurs minori t a i res s u r ces defauts .

La microscopie electronique en transmission sur l e s echantillons observes en EBIC per- met de c a r a c t e r i s e r c r i s t a l lographiquement l e s defauts qui presentent des reponses 6lectriques particuliPres.

PRINCIPE DES METHODES UTILISEES

Les principes de l a methode EBIC sont essentiellement analogues a ceux regissant l ' e f - f e t photovoltaique dans l e s c e l l u l e s s o l a i r e s sous excitation photonique. Le faisceau d'electrons de diametre

^.L

10 nm balaie 1 'echantillon en creant des paires electron- trou dans u n volume spherique dependant principalement de l a tension d1acc61@ration

[51, [61.

Les porteurs minoritaires collectBs en chaque point par l e champ de jonc- tion PN ou Schottky forment un courant induit dans u n c i r c u i t exterieur. Les varia- tions de ce courant en p a r t i c u l i e r au niveau des defauts s e traduisent par des con- t r a s t e s sur l'image formee

1

l ' a i d e

du

systeme video du

NEB.

Une f a i b l e i n t e n s i t e lumineuse e s t associee a une perte de courant localisee donc a des recombinaisons de porteurs. La resolution s p a t i a l e des observations depend

du

volume de creation des paires electron-trou dans l e materiau a i n s i que de l a longueur de diffusion des por- teurs minoritaires [7]. Dans l e cas d'un j o i n t perpendiculaire l a surface de l'echan- t i l l o n , pour une tension de 30 KeV correspondant

1

une sphere de creation des porteurs de rayon 7 um e t pour une longueur de diffusion (L) des porteurs de 10 um, on aura une resolution

W

d'environ

7

pm, de mOme pour L

=

50 pm,

W

- ^{12 um}

^[81.

Cette methode ne permet donc pas d ' i s o l e r dans un joint les differents centres recombinants ou pie- ges, une perte de courant induit c a r a c t e r i s e principalement une a c t i v i t e electrique importante c ' e s t a d i r e une v i t e s s e de recombinaison plus grande des porteurs au n i - veau

du

j o i n t .

Les echantillons sont ensuite polis mecaniquement jusqu'a a t t e i n d r e une epaisseur d'environ 100 pm. Puis apres reperage par photo optique, l e s regions presentant des contrastes interessants en EBIC sont amincies par bombardement ionique a f i n de: l e s c a r a c t e r i s e r cristallographiquement en microscopie electronique en transmission. Nous avons u t i l i s e l a methode mise au point par

C.

Fontaine e t

A .

Rocher

[9]

pour

d&-

terminer l a desorientation intergranulaire . I n t r o d u i t e s u r microordinateur e l l e a per- mis de t r a c e r l e s projections st@r@ographiques associees aux cristaux.

Le repere e s t l i e aux deux axes de rotation convenablement Gtalonnes d'un porte ob- j e t double inclinaison, dans lequel l e s directions cristallographiques sont replacees.

Celles-ci sont caracterisees par deux angles de rotation qui les amenent parallele- ment au faisceau d'electrons. Elles sont Ggalement definies par leurs indices de Miller dans l e c r i s t a l qui peuvent Otre determines in v i t r o par des figures de d i f - fraction c a r a c t e r i s t i q u e s . Dans ces conditions, i l e s t possible a l ' a i d e de deux directions seulement, s i celles-ci appartiennent a u n mOme plan miroir, de replacer, sans depouillement de cliches de microdiffraction, chacun des cristaux dans l e repere de reference e t de posseder en debut de manipulation toutes l e s donnees c r i s t a l l o - graphiques associees aux defauts.

PARTIE EXPERIMENTALE

1.

Description des echantillons

Nous presentons des r e s u l t a t s obtenus sur du silicium p o l y c r i s t a l l i n e t b i c r i s t a l l i n . Le materiau p o l y c r i s t a l l i n e s t dope

N

e t a une r e s i s t i v i t e variant de 1 a 10 R.cm (SILSO). I1 se presente sous forme de plaquettes de dimension 100S100X0,5 m 3 d a n s lesquelles on peut distinguer t r o i s regions wesentant des configurations diff6rente.s de grains donc des s t r u c t u r e s de joints variees

[ l o ] .

La region centrale correspond a des r e l a t i o n s de coincidence entre l e s grains, l e s

bords des plaquettes

?I

des r e l a t i o n s quelconques e t la zone intermediaire a des re-

Le s i l i c i u m b i c r i s t a l l i n elabore

a

p a r t i r de s i l i c i u m

P

selon l a methode Czochralski [Ill a une r e s i s t i v i t e de 20 R.cm. La s t r u c t u r e du j o i n t C=25 e s t predeterminee e t correspond

a

une f o r t e d e s o r i e n t a t i o n e n t r e l e s deux c r i s t a u x c ' e s t ?I d i r e -3 une r o - t a t i o n de 16,26" autour d ' u n axe.<100>.

Nous avons f a i t r e a l i s e r des diodes Schottky Cr/Si par evaporation de C r (50 nm) s u r des p a s t i l l e s de dim 2 X 3, 5 X 0,5 mn3

Le c o n t a c t ohmique face a r r i e r e e s t forme par un e u t e c t i q u e Au/Si 2. Resultats

2.1. P o l y c r i s t a u x

On peut observer s u r l e s images EBIC d'une diode Schottky C r / S i p l u s i e u r s comporte- ments e l e c t r i q u e s d i f f e r e n t s ( F i g . 1.a).

-

Deux regions de p a r t e t d ' a u t r e des j o i n t s A e t C se d i s t i n g u e n t par des reponses e l e c t r i q u e s d i f f e r e n t e s . Le courant c o l l e c t @ dans l a p a r t i e gauche e s t p l u s f a i b l e q u e c e l u i d a n s l a p a r t i e d r o i t e ce q u i se t r a d u i t par une image p l u s sombre.

Ces phenomenes peuvent p r o v e n i r :

l o )

-

O'un dopage d i f f e r e n t d ' u n g r a i n .3 l ' a u t r e e n t r a i n a n t une v a r i a t i o n de l a zone de charge d'espace.

2")

-

De l ' o r i e n t a t i o n c r i s t a l l i n e d i f f e r e n t e des deux zones.

En e f f e t , l e nombre de p o r t e u r s trees peut v a r i e r s u i v a n t l ' o r i e n t a t i o n du faisceau par r a p p o r t aux plans c r i s t a l lographiques [121.

-.-

Des taches sombres a ~ p a r a i s s e n t sur t o u t e l a surface de l a diode. Ces observa- t i o n s sont classiques s u r t o u t e s nos diodes ayant subi l e meme processus d ' e l a b o r a - t i o n . Nous n'avons pas encore i n t e r p r e t 6 ces observations.

-.-

E n f i n une recombinaison v a r i a b l e des p o r t e u r s l i b r e s sur l e s j o i n t s de g r a i n s se t r a d u i t par des l i g n e s p l u s ou moins sombres.

Nous nous somnes i n t @ r e s s @ s p l u s p a r t i c u l i e r e m e n t au j o i n t B q u i presente de grandes d i f f e r e n c e s de c o n t r a s t e s u r t o u t e l a longueur.

Des observations en microscopie e l e c t r o n i q u e en transmission

a

120 KeV e t -3 2 NeV o n t e t e r e a l i s e e s pour pouvoir donner une i n t e r p r e t a t i o n de ces phenomenes. En e f f e t , l a HVEM a e t e necessaire c a r n o t r e @ c h a n t i l l o n e t a i t t r o p epais pour des observations sur l e j o i n t d 120KeV.

MICROSCOPIE A BASSE TENSION : 120 KeV

Nous avons mis en evidence que l a d e s o r i e n t a t i o n e n t r e l e s deux g r a i n s correspond d une r e l a t i o n de macle du 2Pme o r d r e (C = 9), c ' e s t .3 d i r e

a

une r o t a t i o n de 38",94 autour d'un axe <loo> [ I 3 1 [14]. Les p r o j e c t i o n s stereographiques des deux c r i s t a u x donnees -3 l ' a i d e d'une t a b l e t r a ~ a n t e couplee au m i c r o o r d i n a t e u r donnent l e s pro- p r i e t e s c r i s t a l l o g r a p h i q u e s de l a macle : ( F i g 2.a p r o j e c t i o n s t e r e o ) .

Les plans {221l e t I1141 sont comuns a i n s i que l e s d i r e c t i o n s <122><114> e t <110>.

t4ICROSCOPIE A HAUTE _TENSION : 2 MeV

La r e g i o n B1 du j o i n t B (Fig.1.b) a une a c t i v i t e e l e c t r i q u e t r e s importante. Nous avons determine que l e p l a n d ' i n t e r f a c e e s t un p l a n incoherent proche de {11011 /

{ill)?

(Fig.2.b).

C1-78 JOURNAL DE PHYSIQUE

Fig.1.a

-

Image en EBIC d'une diode Schottky. J o n c t i o n p a r a l l e l e 1 l a surface observee.

EBIC image o f a Schottky diode. J u n c t i o n p a r a l l e l t o t h e observed surface.

Fig.1.b - D e t a i l de l a Fig.1.a.

P a r t o f t h e Fig.1.a.

Stereographic p r o j e c t i o n o f t h e two c r y s t a l s i n second o r d e r twinning r e l a t i o n s h i p .

crista

Fig.2.b - Micrographie en HVEM des regions

B1

e t

B2

du j o i n t B. I n t e r f a c e compose du plan de sym&trie f.221},/{22ll3 pour B3 e t d'un plan quelconque pour B1.

HVEM micrograph of B1

and-^^

of t h e

B

g r a i n boundary. I n t e r f a c e com- posed of t h e {221}1/ {221}2 symmetry plane (B2) and of a non s i n g u l a r one (B1)

C 1-00 JOURNAL DE PHYSIQUE

La r e g i o n B2 p a r c o n t r e p r e s e n t e une reponse e l e c t r i q u e p r a t i q u e m e n t n u l l e . L e p l a n d ' i n t e r f a c e a dans ce cas e t @ determine comme p l a n de s y m e t r i e (221!,/ (22112 de l a macle X = 9 ( f i g . 2 b ) , ce q u i donne l a s t r u c t u r e l a p l u s c o h e r e n t e p o s s i b l e . A l ' e x t e - r i e u r e t dans l e j o i n t nous avons observe des d i s l o c a t i o n s p a r a l l e l e s

a

l a d i r e c t i o n

<011> comnune. Cependant l e u r d e n s i t e e t a n t p r a t i q u e m e n t c o n s t a n t e dans l e s 2 r e g i o n s nous pouvons en c o n c l u r e que dans n o t r e cas, l e s d i s l o c a t i o n s n ' o n t Das un r 6 l e p r i - m o r d i a l dans 1 ' a c t i v i t@ e l e c t r i q u e de c e j o i n t . Remarquons que ce r e s u l t a t ne p e u t

e t r e g e n e r a l i s e . [ 1 5 ] . Nous avons donc mis en evldence q u ' u n j o i n t de g r a i n s p e u t a v o i r des comportements e l e c t r i q u e s t o u t

a

f a i t d i f f e r e n t s s e l o n l a s t r u c t u r e de son i n t e r f a c e .

2.2. B i c r i s t a u x

A l a vue de ces r e s u l t a t s , nous avons essaye de c o n f i r m e r l e r 6 l e apparent,dans l a recombinaison,des d e f a u t s de s t r u c t u r e t e l l e s l e s l i a i s o n s pendantes ou d i s t o r d u e s . Nous nous somnes donc i n t e r e s s e s au b i c r i s t a l 2=25. En e f f e t , l e p l a n du j o i n t e t a n t du t y p e {710), l e s modeles c r i s t a l l o g r a p h i q u e s r e p r e s e n t a n t l e s rearrangements des l i a i s o n s atomiques dans un t e l j o i n t f o n t i n t e r v e n i r des l i a i s o n s pendantes q u i s o n t c e n t r e s de recombinaison des p o r t e u r s [ 1 6 ] .

La p h o t o g r a p h i e e n EBIC ( F i g . 3 . ) met en evidence une a c t i v i t e e l e c t r i q u e assez f a i - b l e au n i v e a u du j o i n t .

Image en EBIC du j o i n t de g r a i n 2=25.

EBIC image o f a 2=25 g r a i n boundary.

Ce r e s u l t a t p a r a i t donc 6 t r e en c o n t r a d i c t i o n avec l e s remarques precedentes.

Par c o n t r e l a presence d ' i m p u r e t e s ( e n p a r t i c u l i e r 1'oxygene)connuedans ce m a t e r i a u p o u r r a i t e x p l i q u e r ces phenomenes

,

l e s atomes d'oxygene venant s a t u r e r l e s l i a i s o n s pendantes.

Les p r e m i e r s r e s u l t a t s s u r l e s b i c r i s t a u x semblent e n a c c o r d avec d ' a u t r e s t r a v a u x donnant des h a u t e u r s de b a r r i e r e au n i v e a u des j o i n t s t r e s f a i b l e s 1171, c e l l e s - c i e t a n t d i r e c t e m e n t r e l i e e s au t a u x de recombinaison des p o r t e u r s m i n o r i t a i r e s . CONCLUSION ET DISCUSSION

Nous avons observe que l e j o i n t de g r a i n ~ = g p r e s e n t e une a c t i v i t e e l e c t r i q u e n e g l i - geable en EBIC l o r s q u e l ' i n t e r f a c e e s t c o h e r e n t

.

La p r e m i e r e e x p l i c a t i o n concernant l ' a c t i v i t e e l e c t r i q u e du j o i n t c o h e r e n t e s t de c o n s i d e r e r que l ' i n t e r f a c e p e u t - 6 t r e c o n s t r u i t sans l i a i s o n s pendantes.

Ces r e s u l t a t s s o n t analogues

a

ceux observes pour l e s j o i n t s 2 = 3 c o h e r e n t s I 1 8 1 1191.

quer simplement, actuellement, c e c i pour des j o i n t s incoherent ( C = 9) ou coherent ( C = 25).

En e f f e t , denombreux travaux s u r l e s propriGt.6~ e l e c t r i q u e s des j o i n t s u t i l i s a n t d ' a u t r e s methodes experimentales de c a r a c t e r i s a t i o n t e l le s l a DLTS [201, 1 ' e f f e t H a l l [21] ou l e s c a r a c t e r i s t i q u e s I ( V ) [221 m e t t e n t en evidence l e s comportements C l e c t r i q u e s t r P s v a r i a b l e s des j o i n t s . En e f f e t , d i f f e r e n t s parametres i n t e r v i e n n e n t :

-

Le type e t l e taux de dopage (N) ou (P). Les hauteurs de b a r r i P r e au j o i n t e t a n t p l u s importantes dans l e materiau N que dans l e materiau P [231.

-

La s t r u c t u r e des impuretes au niveau du j o i n t : ces impuretes ne j o u a n t pas forcement l e m@me r B l e e l e c t r i q u e s u i v a n t l e type de dopants. L ' e f f e t de l a c r i s t a l - l o g r a p h i e des defauts s u r l e s p r o p r i e t e s e l e c t r i q u e s e s t generalement t r e s d i f f i c i l e

a

determiner dans nos materiaux C t a n t donnes l e s phenomenes de d i f f u s i o n e t de segre- g a t i o n d'impuretes contenues dans l e s j o i n t s . Nous pensons cependant que l a n a t u r e c r i s t a l l o g r a p h i q u e du p l a n de j o i n t joue un r b l e preponderant dans l ' a c t i v i t e Plec- t r i q u e du j o i n t e t c e l a d'une f a ~ o n d i r e c t e , p a r l a presence de 1 ia i s o n s pendantes ⁰¹¹ de d i s t o r s i o n s de reseau ou i n d i r e c t e , p a r l a segregation d ' impuretes.

REllERCI EFIENTS

Les auteurs remercient ElM. PIERREL e t A. MARTINEZ du L a b o r a t o i r e dlAutomatique e t dlAnalyse des Systemes du C.N. R.S. de Toul ouse pour 1 ' e l a b o r a t i o n des diodes Schottky, 11. L. BERNARD pour son a i d e technique. Ce t r a v a i l a & t & r e a l i s @ avec l ' a i d e f i n a n c i e r e du PIRSEM.

BIBLIOGRAPHIE

[I] Fathy, D. and Valdr6, U., J. Microsc. Spectrosc. E l e c t r o n . ,

5

(1980) 175.

Heydenreich, J., B l u m t r i t t , H., Gleichmann, R., and Johansen, H., J. de Phys.

Colloque C6,

2

(1979) 23.

Young, R.T., Narayan, J. and Chang, Y. K., M a t e r i a l s Research S o c i e t y Symposia Proceedings, Grain Boundaries i n Semiconductors, Boston (1981), Leamy, H.J., Pike, G.E. and Seager, C.H., eds.,

5

(1982) 111.

Donolato, C., Optik

-

52 (1978/79) no 1, 10.

Kanaya, K. and Okayama, S . , J. Phys. D: Appl. Phys.,

5

(1972) 43.

Bresse, J.F., These de Docteur Ingenieur (1974) Grenoble.

Donolato, C., Phys. S t a t . Sol. ( a ) ,

66

(1981) 445.

llarek, J., J . A p ~ l . Phys.

-

53 ( 3 ) (1982) 1454.

Fontaine, C. and Rocher A., J. Microsc. Spectrosc. E l e c t r o n .

4

(1979) 1.

Roy. K., Rasch, K.D. e t Fischer, H., XIVth IEEE, SPSC (San Diego) (1980) 897.

Aubert, J.J., Bacmann, J.J., Bourret, A., Daval, J., Desseaux, J . e t Rocher A., 3 t h P.V. S o l a r En. Conf. (Cannes) (1980) p. 589.

Hanoka, J . I . and B e l l , R.O., Ann. Rev. Mater. S c i .

_11

(1981) 353.

Fontaine, C., These de Docteur Ingenieur (1980) Toulouse.

Grimmer, H., Bol lmann, W . and Warmington, D.M., Acta C r i s t a l l

. 30

(1974) 197.

Cunningham, B., Strunk, H.P. and Ast, D.G., M a t e r i a l s Research Society Symposia Proceedings, Grain Boundaries i n Semiconductors, Boston (1981), Leamy, H.J., Pike, G.E. and Seager, C.H., eds. - 5 (1982) 51.

Shockley, W. and Read, W.T., Phys. Rev. - 87 (1952) 835.

Roux, M., These de Docteur Ingenieur (1981) Orsay.

Rocher, A., Fontaine, C. and D i a n t e i l l

,

C., Proceedings o f t h e Royal Microsco- p i c a l S o c i e t y Conference. Microscopy o f Semiconducting M a t e r i a l s , Oxford (1981) p. 289.

C1-82 JOURNAL DE PHYSIQUE

[I91 Strunk,

H . ,

Cunningham,

B.

and Ast, D . , "Defects i n Semiconductors" Narayan and Tan, e d s . , North Holland (1981) 297.

[20] Broniatowski, A . , J . Physique

-

42 (1981) 741.

[211 S e t o , J.Y . W . , Journal o f Applied Physics, vol. 46, no 12 (1975) 5247.

[22] Card, H.C. and Hwang, W . ,

IEEE

Transactions on Electron Devices, vol.

ED

27, no 4 (1980) 700.

[231 Amzil, H . , ThSse de 38me c y c l e (1981) Y a r s e i l l e .