D-2. 界面転位と貫通転位の交差
エピ層成長中に基底面転位の大部分は貫通刃状転位に変換されます。そうすると、b=a/3<1120>の貫通刃状転位、b=±c[0001]の貫通らせん転位、b=±c[0001]+a/3<1120>あるいはb=±c[0001]+a<1100>の貫通混合転位などの貫通転位の林が、エピ層中に形成されています。
そして、L字状または逆L字状の界面転位、つまりb=a/3[1120]基底面転位がエピ層成長中に形成されているとします。L字状、または逆L字状の界面転位は、前回説明したように基底面らせん転位部と基底面Cコア刃状転位部から構成されています。エピ層の成長に伴い基底面らせん転位部は[1100]、または[1100]の方向へ動いていきます。この動きに伴いCコア刃状転位部分は延伸して行きます。そして、基底面らせん転位部分は、乱立する貫通転位の林の中を移動します。この時に、貫通転位と基底面らせん転位部分は交差し、各種の転位の反応を引き起こすと推察されます。
図7-2 (a)は放射光X線トポグラフ法で観察されるL字状の界面転位abcの像を模式的に示しています。エピ層成長が始まる前には、界面転位になるb=1/3[1120]の基底面転位の基板表面終端位置はa点です。エピ層成長が始まりこの基底面転位が界面転位になりL字状の界面転位abcが形成されます。基底面らせん転位bc部が左方向、つまり[1100]方向に移動していきます。この時、この界面転位の表面終端部はa点の位置からc点へ破線に沿って移動しています。
この図7-2(a)は、エピ層成長中に界面転位の尾部の基底面らせん転位部分bcは、各種貫通転位と、交差しながら[1100]方向へ移動したことを示しています。このように貫通転位の林の中を基底面らせん転位が移動して行った後の像は、放射光X線トポグラフ像ではそれなりに観察されます。ちなみに、この図7-2 (a)では、右上にある貫通らせん転位とは反応を起こしていません。エピ層が厚くなるに従って基底面らせん転位部分bcは長くなりますが、エピ層成長初期には、まだ右上の貫通らせん転位の位置には、基底面らせん転位bcはとどいていません。
図7-2 (b)は、放射光X線トポグラフ像で稀に観察されることがある貫通らせん転位や、貫通混合転位により基底面らせん転位部bcの移動が一時的に阻止されている状態を示しています。この状態は、基底面らせん転位部bcが、貫通らせん転位と交差している最中です。貫通らせん転位や貫通混合転位は基底面らせん転位にとって通過するのに苦労する存在です。しかしながら最終的には、これらを通過して図7-2(a)のようなL字状の形状に戻っていると考えられます。また、貫通刃状転位と交差する場合は、図7-2 (b)のような形状は観察されないので、貫通刃状転位の場合は容易に交差し通過していると推察されます。
図7-3は転位間の相互反応を示しています。図7-3(a)は、ある(0001)面上で[1100]方向に移動するb1=1/3[1120]の界面転位、つまり基底面らせん転位deと[0001]方向に向いているバーガース・ベクトルb2の貫通刃状転位abc が交差する前の状態を示しています。図7-3(b)は交差後の状態です。貫通刃状転位にはbb’の折れ曲がりが発生し、この部分は基底面転位です。その基底面転位bb’の向きは[1120]方向で、その長さはバーガース・ベクトル| b1|の長さそのものです。とても短い基底面転位です。一方の界面転位にも曲がりが発生し、曲がりの向きはb2と同じで曲がりの部分の長さは|b2|です。この曲った部分も同一のすべり面に乗っている基底面転位です。この基底面らせん転位が [1100]方向に移動する際に、この曲りは簡単に消失すると考えられます。図7-3(b)の貫通刃状転位の形状を見ると、ab部分は貫通刃状転位なのでで、動くことはできずにほぼピン止めされていて、b’c部分も貫通刃状転位なのでほぼピン止めされています。エピ層成長中や、降温時に発生する応力、後の高温時でのプロセスでエピ層に応力が加わると基底面転位bb’が張り出して、長くなることも推察されます。見方によっては基底面転位が増殖するフランク・リード機構と似た構造です。基底面転位の張り出しの状態を少し誇張して描いた図を図7-3(c)に示します。このような反応は、貫通刃状転位がξ=[0001]、 b2=±1/3[1120]以外の場合に発生すると考えられます。
次に、貫通刃状転位がξ=[0001]、b2=±1/3[1120]と交差の場合を考察します。つまり基底面転位と貫通刃状転位のバーガース・ベクトルの向きが逆方向か、同一方向かの場合です。この場合、話は簡単ではないと思われます。実際には色々な場合を想定してそれなりに弾性論に基づいた大きな規模の計算をしないと結論は簡単に出ないように思われます。ここでは、「最もありそうな場合を想定します」というおことわりをして話を進めます。
図7-3(d)はξ=[0001]、b2=1/3[1120]との交差の場合です。一度、基底面転位と貫通刃状転位は繋がってしまいますがこれは遷移状態です。その後に基底面らせん転位部分は(0001)面上で[1100]方向に運動して、基底面転位と貫通刃状転位は分離するのではと推察されます。最終的には図7-3(b)と同じような結果になることになります。交差の後、図7-3(e)は分離した状態を示します。貫通刃状転位に沿って短い基底面転位部分bb’部が形成されると考えられます。
図7-3(f)はξ=[0001]、b2=1/3[1120]の場合を推察した例です。この場合、2本の転位は交差することはなく、互いに反発しながら通過し、界面転位は小さなb3=1/3[1120]の基底面転位ループを残すのではと推察されます。この時の基底面転位ループの向きは反時計回りです。転位の向きを時計回りに設定しなおすと、バーガース・ベクトルの方向は逆向きになります。
図7-3で考察した貫通刃状転位と基底面らせん転位の反応では、貫通刃状転位にbb’の基底面転位部分を形成することや、あるいはb3=1/3[1120]の小さな基底面転位ループを形成する事が考えられます。これらの短い基底面転位部分や小さな基底面転位ループは、エピ層成長中あるいは後の高温プロセス中に応力を受けて張り出して、長くなり大きくなることも推察されます。また室温での各種デバイスプロセス時に応力を受けるとSiコア部分転位が張り出してくることも考えられます。
これら貫通刃状転位に形成される折れ曲がり部分、つまり基底面転位部分bb’や基底面転位ループはL字状の界面転位と同一のすべり面の上にのっています。つまり、L字状の界面転位は四面体A’か四面体C‘のすべり面にのっているので、これらの折れ曲がりも四面体A’か四面体C‘のすべり面にのっています。MOSFETを作製してon-off動作を繰り返すと、界面転位部からショックレー型積層欠陥が湧き出して来ます。基底面転位部bb’や基底面転位ループからも積層欠陥が湧き出す場合がある事が考えられます。そしてこれらの積層欠陥は同一すべり面上に存在するので、これらの積層欠陥は合体して一枚の積層欠陥に成長する場合と、変位ベクトルが異なるため、合体できずに区切られたドメイン構造を持つことになると考えられます。詳しくは、後の連載で考察します。
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