Кремній, отримана з використанням геттерування розплаву

Кремній, отримана з використанням «геттерирования розплаву .

У бездефектной технології виготовлення ІВ зменшення впливу термодефектов використовуються методи пасивного геттерирования домішок в пластинах. До таких методам ставляться «зовнішнє геттсрирование «- нанесення зовнішніх покриттів (поликремния, Si-, N^, перехідних металів) чи механічних на неробочу бік кремнієвої пластини і «внутрішнє геттерирование «— навмисне забезпечення шляхом термообработок виділень другій фазі Si0, у яких адсорбуються микродефекты, домішки важкі крейсери та лужних металів. Однак у результаті цих впливів на пластини погіршуються механічні властивості, що особливо помітно на подложках діаметром 100 і більше миллиметров.

Процес освіти геттерирующей зони відбувається у кілька стадій, при цьому найвища температура термообробки (ТЕ) вбирається у lOOO^C, в нас саме багатоступінчаста технологію виготовлення ІВ охоплює понад високотемпературні операції, наприклад дифузію, эпитаксию. Відомо, що при високих температурах вище 1000 °C кисень з виділень знову перетворюється на стан твердого розчину, і за наступних термоциклах (430−500 і 600- 800⁰ знову з’являються донори, руйнуються комплекси домішок і микродефектов, що, своєю чергою, призводить до порушення термостабильности, зниження виходу придатних, збільшення отказов.

Активне вплив на дефекти і домішки передбачає легування монокристалів у процесі їх вирощування добавками, що впливають на властивості, склад розплаву і твердого тіла. У цьому легуючий компонент повинен відповідати наступним требованиям:

— коефіцієнт розподілу, який значно різниться единицы;

— ефективне зміна коефіцієнта розподілу удаляемых примесей;

— відсутність шкідливого впливу атомів «геттера «на властивості полупроводника.

Використання як геттера водню, запропоноване Декоком, не знайшло застосування у промисловості, оскільки водень у процесі отжига видаляється з кристала, знову звільняючи кисень і залишаючи по собі напружені ділянки кристалічною решетки.

Додавання в кремній ізоморфних домішок (Ge, Pb, Sn) позначається тільки кінетиці освіти термодоноров, у своїй зберігається залежність їх поведінки від температури. Легування металами, изобарный потенціал реакції окислення яких більше, ніж изобарный потенціал окислення кремнію за нормальної температури його плавлення, дає можливість пов’язувати кисень і породжувані їм термодефекты. З цією метою може бути обрані домішки, які із киснем більш хімічно і термічно стійкі оксиди, ніж Si0^, що до до того ж электронейтральны в кремнії. Такими домішками є щелочноземельные метали (Mg, Са, Sr, Ва), електрично нейтральні внаслідок освіти з кремнієм напівпровідникових сполук з ковалентної зв’язком [1,2], і перехідні метали IV групи (Ti, Zr, Hf), нейтральні через подібності будівлі електронних оболонок їх атомів з атомами кремнію і що утворюють стехиометрические фази з кремнієм. Експериментальні дані показують, що з додаванні цих металів в розплав кисень пов’язується в рідкому кремнії в міцні комплекси, містять атоми кремнію і кисню, коефіцієнт розподілу яких набагато менше, ніж в кисню, який пов’язаний до комплексів. У результаті введення домішокгеттеров зміст кисню в вирощених методом Чохральского монокристаллах то, можливо снижено до 2−10^ 7 смЗ .

Характер розподілу Ti, Zr і Hf в монокристаллах вздовж осі зростання аналогічний наблюдавшемуся раніше щелочноземельных металів в німеччині і кремнії, і навіть для домішки хрому в арсеніді галію. Методами химикоспектрального і активационного аналізів, методом радіоактивних індикаторів (для цирконію і гафнію) показано, що у початковій частини формується концентраційний профіль зі зниженням концентрації, потім перехідна область, яку слід область наростання концентрації до випадання другій фазі. Розподіл примесей-геттеров, і навіть рівень їхнього концентрації у твердій фазі свідчить у тому, що й взаємодію Космосу з киснем відбувається у розплаві з наступним розподілом атомів металу, пов’язаного і що з киснем, з різними коефіцієнтами сегрегації. Вища концентрація домішки на початку зливка порівняно з середньої його частиною суперечить диаграммам стану кремний-титан (цирконій, гафній), у яких эвтектический перехід, відповідно якому елементи IV групи повинен мати коефіцієнт розподілу менше одиниці. Відсутність залежності характеру розподілу та умовамиперемішування розплаву підтверджує даних про взаємодії домішок з киснем. Наслідком такої взаємодії є різне поведінка розчиненої металу при кристалізації кремнію. Створюючи комплекси, відповідні сполук із високої температурою плавлення і міцними хімічними зв’язками, домішка металу IV-B може мати коефіцієнт розподілу більше одиниці. Коефіцієнти розподілу титану, цирконію і гафнію, які пов’язані з киснем, менше одиниці, й інші метали відсуваються в кінцеву частина зливка. Зниження змісту кисню в монокристаллах, вирощених методом Чохральского з добавкою геттера, проти звичайними монокристалами підтверджує факт взаємодії цих домішок в розплаві. Джерелом виявленого оптично активного кисню, очевидно, служить тигель (Si0,).

Фізична модель процесу внутрішнього геттерированияв кремнієвої технології .

Як відомо, металеві домішки Au, Fe, Ni, Сі та інші призводять до виникненню генерационно-рекомбинационных центрів у активних областях приладів з урахуванням кремнію, що у своє чергу викликає деградацію властивостей приладів. Сукупність технологічних прийомів, дозволяють знизити концентрацію таких центрів, локализуя їх поблизу преципитатов Si0x (xw2), розташованих далеко від активних областей приладів, називається методом внутрішнього геттерирования (ВГ).

За технологією ВГ нагромаджено великий фактичний матеріал, проте фізичні принципи його механізму час остаточно не встановлено [1, 2). Широке поширення, наприклад, отримали уявлення, що центрами геттерирования є дислокації і дефекти упаковки, виникаючі внаслідок релаксації пружних полів і пересыщения по межузельному кремнію у процесі преципитации кисню при Г>700°С. Але ці уявлення є універсальними, було доведено поруч досліджень. Так було в роботі [3) показано, що у деяких випадках ефект геттерирования виявляється у відсутність дислокаций і дефектів упаковки, хоча саме кисневий преципитат є геттером. Інші автори [41 виявили гексагональні і ромбические дислокационные петлі в відсутність кисневих преципитатов, виходячи з чого зроблено те, що дислокационные петлі виникають при высокотемпературном отжиге внаслідок розчинення преципитатов, які утворилися раніше у. час низькотемпературного отжига. У цьому роботі представлені результати досліджень фізичних закономірностей процесу ВГ, виконаних спеціалісти кафедри загальної фізики МИЭТ, в яких розвинена модель дальнодействующего механізму взаємодії домішкацентр геттерирования. Розглянута модель комплексу примесь-точечный дефект, розраховані параметри таких комплексів і знайдене їх неоднорідне розподіл в пружному полі преципитата. Представлена також диффузионная модель ВГ з урахуванням взаємодії дипольных комплексів з кисневим преципитатом.

Комплекси примесь-точечный дефект та його неоднорідне розподіл поблизу центру гетгерировання.

Принципова новизна пружного взаємодії домішки з дислокацією від стосунків з сферичним геттером в тому, що пружне полі останнього характеризується суто сдвиговой деформацією і енергія пружного взаємодії дорівнює нулю :

[pic] де До — модуль всебічного стискування матеріалу середовища, (o — зміна обсягу, обумовлене примесным атомом, (ii —дилатация пружного поля центру. Тож у умовах відсутності ди-латацнонного взаємодії і наявність пересыщения за власними дефектів дальнодейст-вующий механізм пружного взаємодії може бути реалізований взаємодією диполь-ного типу. Дипольные властивості примесного атома можна реалізувати у разі освіти комплексу з цих двох точкових дефектів: атом примеси—собственный точковий дефект чи атом примеси—атом інший примеси.

Кількісної мірою взаємодії комплексу точкових дефектів з пружним полем центру дилатации є тетрагональность поля пружних спотворень, створюваних комплексом. У межах континуальної теорії пружності енергія точечної дефекту на полі (ii задається выражением:

[pic] Тензор (ij, званий тензором об'ємних деформацій, повністю характеризує пружні властивості точечної дефекту. Для пружного диполя з осьової симетрією вона має вид :

[pic].

ni і nj — направляючі косинуси осі симетрії диполя.

Для послідовного .кількісного описи освіти домішкових сегрегаций поблизу центру геттерирования треба зазначити параметри (o і (1, що характеризують окремий комплекс і побачити розподіл таких комплексів у просторі, навколишньому центр геттерирования. Розрахунки характеристик комплексу проводилися методом молекулярної статики. За основу було прийнято так званий метод флекс-1 (метод гнучкою кордону з перекрывающимися областями). Кристал розбивається втричі області. Область 1, безпосередньо навколишня кристал, сприймається як дискретна. У цієї сильно перекрученою області координати атомів враховуються індивідуально, а енергія розраховується з допомогою межатомного потенціалу. Область 3, найбільш віддалена дефекту, подається як пружний континуум. Внесок цій галузі у загальну енергію системи визначається рішенням рівнянь теорії пружності, тобто. величинами (0 і (1 і пружними постійними середовища. Область 2 є проміжної. Координати атомів у цій галузі визначаються колективно також «відповідність до теорією пружності, а внесок у енергію системи — з допомогою межатомного потенціалу. У результаті розрахунку мінімізується повна енергія системи, що є функцією координат атомів і двох змінних (o і (1, характеризуючих дальнодействующее полі дефекту. Рішення цієї варіаційної завдання й дає шукані величины.

Розрахунки здійснювалися для моноі дивакансии з межатомным потенціалом Плишкина— Подчиненова. Область 1 містила 320 атомів у разі моновакансии і 319 атомів у разі дивакаисии, а область 2 містила 1280 атомів. Дивакансия складалася з двох вакансій у заключних положеннях (0,0,0) і (½, ½, 0). Результати підрахунків наведені у таблице.

Результмы розрахунків компонент тензора об'ємних деформацій для моноі днвакансии .

|Компонента |Моновакансия |Дивакансия | |(o, м^-30 |-0.75 |-1.14 | |(1, м^-30 |0.00 |-1.47 |.

З таблиці видно, що з освіті комплексу з цих двох точкових дефектів, кожен із яких створює серед сферически симетричний полі пружних спотворень, виходить дефект дипольного типу. З іншого боку, у своїй має місце порушення аддитивности зміни обсягу, викликаного дефектами .

Рівноважний розподіл диполів в пружному полі геттера задається соотношением:

[pic] де (З — концентрація диполів віддалік від центру. Енергія диполя на полі центру на відповідність до (1) визначається выражением.

[pic].

где ефективна поляризація дипольного хмари [pic] визначається как.

[pic].

Величина -(, характеризує поля центру, є комбінацією пружних постійних середовища проживання і включення, і навіть розміру включення. Під час проведення розрахунків з формулам (2)—(5) температура, параметри (і (1 варіювалися для вивчення їхнього впливу на процес геттерирования. Результати чисельного моделювання представлені на рис. 1 і 2. Показано розподілу концентрації диполів і поляризації поблизу преципитата радіуса rp обох випадків, відмінних знаком пружного поля преципитата. Аналіз даних дозволяє визначити, що незалежно від знака пружного поля преципитата має місце збагачення диполями простору поблизу преципитата.

[pic].

Рис. 1. Розподіл диполів (чи їх поляризації (б) поблизу сферичного преципитата з негативним об'ємним невідповідністю —0.005 .

[pic] Рис. 2. Розподіл диполів (6) та його поляризація (б) поблизу сферичного преципитата з позитивним об'ємним невідповідністю -0.005 .

Диффузионная модель процесу ВГ. Для розгляду кінетики освіти рівноважного розподілу домішки навколо преципитата запишемо. рівняння дифузії в виде.

[pic].

— де j вектор щільності потоку частинок визначається выражением.

[pic].

Після підстановки і початку сферичним координатам уравнение.

(9) приймає вид:

[pic].

Рівняння (6) що з (3) і з відповідними початковими і граничними умовами описує еволюцію поля концентрацій домішкових комплексів С®, а при t ((— рівноважний стан. Що стосується обмеженого числа частинок граничними умовами є: зовнішньому поверхні j=0, на внутрішньої межі поділу Si—Si02, j=VsC, де Vs— коефіцієнт поверхового массопереноса кордону розділу кремний—окисел. Переходячи в рівнянні (6) до безрозмірним змінним :

[pic] одержимо :

[pic] (7).

Результати чисельного рішення рівняння (7) показали, що з великих часи рівноважний розподіл є граничним для кінетичних розподілів. Для кількісного уявлення ефективності процесу ВГ на рис. 3 представлена величина (-частка домішки, геттерированной на преципитате, як функція безрозмірного часу. Криві 1 і 2 описують ефективність процесу ВГ за урахуванням психології та не враховуючи пружного взаємодії. Параметр (відповідає тут відносного лінійному невідповідності включення та порожнині в матриці, до якої він вставлено, рівному 0,005, що типово для кисневого преципитата в кремнії, выращенном методом Чохральского. З малюнка видно, що додатковий внесок геттерирования, внаслідок пружного взаємодії можна з величиною геттерирования за відсутності пружного взаємодії. У цьому процес ВГ при пружному взаємодії протікає швидше .

[pic] Рис. 3. Частка геттерированных домішкових атомів як функція часу у відсотках їх повного числу при початковій концентрації (Со=10^-8): 1 — з урахуванням взаємодії примесный комплекс-геттер. 2 — не враховуючи взаимодействия Развитая модель формування атмосфер і геттерирования домішкових атомів дипольного типу поблизу сферичного преципитата показує, що за умови формування комплексів примесный атом — точковий дефект кисневі преципитаты можуть бути центрами конденсації домішкових атомів. Коли поверхні преципитата відбувається розпад комплексу, у якому у ньому осаджується атом домішки, то тут для підтримки рівноважного значення концентрації знадобиться диффузионно-дрейфовый підвід нових комплексів. Отже, за умовосвіти рухливих комплексів примесный атом—точечный дефект далеко від преципитата та його розпаду поблизу нього розвинена модель дає пояснення механізму геттерирования, який має обмеження з пересыщению і є «дрейфовым насосом», які забезпечують зменшення концентрації домішки обсягом кристалла.

Аналіз результатів розрахунків дає можливість окреслити такі моменти, що визначають властивості процесів ВГ. n ефективність геттерирования є функцією температури, причому існує оптимальна температура для максимальній ефективності цього механізму геттерирования; n геттер (преципитат SiO2) діє лише як стік для домішок, а й як джерело междоузлий Si, які активують процес ВГ; n власні междоузлия кремнію, инжектируемые зростаючим преципитатом в обсяг кристала, взаємодіють із геттерируемыми атомами, і напруження впливають збільшення дрейфового потока.