Реферат: Кремний, полученный с использованием "геттерирования" расплава

Кремний, полученный сиспользованием" геттерирования расплава.

В бездефектной технологииизготовления ИС для уменьшения влияния термодефектов используются методыпассивного геттерирования примесей в пластинах. К таким методам относятся«внешнее геттсрирование»- нанесение внешних покрытий (поликремния, Si-,N^, переходных металлов) или механических повреждений на нерабочую сторону кремниевой пластины и«внутреннее геттерирование»— намеренное обеспечениепутем термообработок выделений второй фазы Si0,, на которых адсорбируются микродефекты, примеситяжелых и щелочных металлов. Однако в результате таких воздействий на пластиныухудшаются механические свойства, что особенно заметно на подложках диаметром100 и более миллиметров.

Процесс образования геттерирующейзоны происходит в несколько стадий, при этом самая высокая температуратермообработки (ТО) не превышает lOOO^C, в то время как многоступенчатая технологияизготовления ИС включает более высокотемпературные операции, например диффузию,эпитаксию. Известно, что при температурах выше 1000°С кислород из выделений вновь переходит в состояниетвердого раствора, и при последующих термоциклах(430-500 и600-800^0 опять появляются доноры, разрушаютсякомплексы примесей и микродефектов, что, в свою очередь, приводит к нарушениютермостабильности, снижению выхода годных, увеличению отказов.

Активное воздействие на дефекты и примеси предполагаетлегирование монокристаллов в процессе ихвыращивания добавками, оказывающими влияние на свойства, состав расплава итвердого тела. При этом легирующий компонент должен удовлетворять следующимтребованиям:

— коэффициентраспределения, значительно отличающийся от единицы;

— эффективноеизменение коэффициента распределения удаляемых примесей;

— отсутствиевредного влияния атомов «геттера» насвойства полупроводника.

Использование в качестве геттера водорода,предложенное Декоком, не нашло применения в промышленности,так как водород в процессе отжига удаляется из кристалла, вновь освобождаякислород и оставляя после себя напряженные участки кристаллической решетки.

Добавление в кремний изоморфных примесей (Ge, Pb, Sn) сказывается лишьна кинетике образования термодоноров, при этом сохраняется зависимость ихповедения от температуры.

Легирование металлами, изобарный потенциал реакцииокисления которых больше, чем изобарный потенциал окисления кремния притемпературе его плавления, дает возможность связывать кислород и порождаемые имтермодефекты. Для этой цели могут быть выбраны примеси, образующие с кислородомболее химически и термически стойкие оксиды, чем Si0^, которые к тому же электронейтральны в кремнии. Такими примесями являются щелочноземельныеметаллы (Mg, Са, Sr, Ва), электрически нейтральные вследствие образования скремнием полупроводниковых соединений с ковалентнойсвязью[1,2],и переходные металлыIV группы (Ti, Zr, Hf), нейтральные попричине сходства строения электронных оболочек их атомов с атомами кремния итакже образующие стехиометрические фазы с кремнием.Экспериментальные данные показывают, что при добавлении этих металлов врасплав кислород связывается в жидком кремнии в прочные комплексы, содержащиеатомы кремния и кислорода, коэффициент распределения которых гораздо меньше, чем у кислорода,который не связан в комплексы. В результатевведения примесей -геттеров содержаниекислорода в выращенных методом Чохральскогомонокристаллах может быть снижено до 2-10^ 7смЗ.

Характер распределенияTi, Zr иHf в монокристаллахвдоль оси роста аналогичен наблюдавшемуся ранее длящелочноземельных металлов в германии и кремнии, а также для примеси хрома в арсениде галлия. Методамихимико-спектрального и активационного анализов,методом радиоактивных индикаторов (для циркония и гафния) показано, что в начальной части формируется концентрационный профильсо снижением концентрации, затем переходная область, за которой следует область нарастания концентрации вплоть довыпадения второй фазы. Распределение примесей-геттеров,а также уровень их концентрации в твердой фазе свидетельствует о том,что их взаимодействие с кислородом происходит в расплаве с последующим распределением атомов металла, связанного и несвязанного с кислородом, с различными коэффициентами сегрегации. Более высокаяконцентрация примеси в начале слитка по сравнению со средней его частьюпротиворечит диаграммам состояния кремний-титан(цирконий, гафний), имеющим эвтектический переход,соответственно которому элементыIVгруппы должны иметь коэффициент распределения меньше единицы. Отсутствиезависимости характера распределения от условий -перемешиваниярасплава подтверждает данные о взаимодействии примесей с кислородом. Следствием такого взаимодействия является различноеповедение растворенного металла при кристаллизации кремния. Образуя комплексы,соответствующие соединениям с высокой температуройплавления и прочными химическими связями, примесь металла IV-B может иметькоэффициент распределения больше единицы.Коэффициенты распределения титана, циркония и гафния, не связанных скислородом, меньше единицы, и эти металлыоттесняются в конечную часть слитка. Снижение содержания кислорода в монокристаллах,выращенных методом Чохральского с добавкойгеттера, по сравнению с обычными монокристалламиподтверждает факт взаимодействия этих примесей врасплаве. Источником обнаруженного оптически активного кислорода, по-видимому,служит тигель (Si0,).

Физическая модель процесса

внутреннего геттерированиявкремниевой

технологии .

Как известно,металлические примесиAu, Fe, Ni,Си и другие приводят к возникновению генерационно-рекомбинационныхцентров в активных областях приборов на основекремния, что в свою очередь вызывает деградацию свойств приборов. Совокупностьтехнологическихприемов, позволяющих снизить концентрацию такихцентров, локализуя их вблизи преципитатовSi0x (xw2), расположенных вдали от активных областей приборов,называется методом внутреннего геттерирования (ВГ)..

По технологии ВГ накоплен обширный фактическийматериал, однако физические принципы его механизма в настоящее время окончательно неустановлены[1, 2).Широкое распространение, например, получилипредставления о том, что центрами геттерированияявляются дислокации и дефекты упаковки, возникающиевследствие релаксации упругих полей и пересыщения помежузельному кремнию в процессе преципитации кислородапри Г>700°С. Однакоэти представления не являются универсальными, что было доказано рядом исследований. Так, в работе [3)показано, что в ряде случаев эффект геттерирования проявляется и в отсутствие дислокаций и дефектов упаковки,при этом сам кислородный преципитат является геттером.Другие авторы[41 обнаружили гексагональные и ромбические дислокационные петли вотсутствие кислородных преципитатов, на основании чего сделано предположение о том, что дислокационныепетли возникают при высокотемпературном отжигевследствие растворения преципитатов, образовавшихсяранее во. время низкотемпературного отжига.

В данной работепредставлены результаты исследований физических закономерностей процесса ВГ,выполненных на кафедре общей физики МИЭТ, вкоторых развита модель дальнодействующего механизма взаимодействия примесь-центр геттерирования. Рассмотрена модель комплексапримесь-точечный дефект, рассчитаны параметры таких комплексов и найдено их неоднородное распределение в упругом поле преципитата.Представлена также диффузионная модель ВГ на основе взаимодействиядипольных комплексов с кислороднымпреципитатом.

Комплексы примесь-точечный дефект и ихнеоднородное распределение вблизи центра гетгерировання

Принципиальноеотличие упругого взаимодействия примеси с дислокацией от взаимодействия сосферическим геттером проявляется в том, что упругое поле последнего характеризуетсячисто сдвиговой деформацией и энергия упругого взаимодействия равна нулю:

где К—модуль всестороннего сжатия материала среды,W

o—изменение объема, обусловленное примесныматомом, eii—дилатацияупругого поля центра. Поэтому в условиях отсутствияди-латацнонного взаимодействияи наличия пересыщения по собственным дефектам дальнодейст-вующиймеханизм упругого взаимодействия может быть реализован взаимодействием диполь-ного типа. Дипольныесвойства примесного атома могут быть реализованы в случае образованиякомплекса из двух точечных дефектов: атом примеси—собственный точечный дефект или атом примеси—атом другой примеси.

Количественноймерой взаимодействия комплекса точечных дефектов с упругим полем центра дилатации является тетрагональностьполя упругих искажений, создаваемых комплексом. В рамках континуальной теорииупругости энергия точечного дефекта в поле e

iiзадается выражением:

ТензорW

ij,называемыйтензором объемных деформаций, полностью характеризует упругие свойстваточечного дефекта. Для упругого диполя с осевой симметрией он имеет вид:

niи nj—направляющие косинусы оси симметрии диполя.

Дляпоследовательного .количественного описанияобразования примесных сегрегаций вблизи центра геттерированиянеобходимо знать параметрыW

oиW1,характеризующие отдельныйкомплекс иопределить распределение таких комплексов в пространстве, окружающемцентр геттерирования. Расчеты характеристиккомплекса проводились методом молекулярной статики. За основу был принят такназываемый метод флекс-1 (метод гибкой границы сперекрывающимися областями). Кристалл разбивается на три области. Область1, непосредственно окружающаякристалл, рассматривается как дискретная. В этой сильно искаженной областикоординаты атомов учитываются индивидуально, а энергия рассчитывается спомощью межатомного потенциала. Область3, наиболее удаленная от дефекта,представляется как упругий континуум. Вклад этой области в общую энергиюсистемы определяется решением уравнений теории упругости, т.е. величинамиW0иW1 и упругими постояннымисреды. Область2 является промежуточной.Координаты атомов в этой области определяютсяколлективно также »соответствии с теорией упругости, а вклад в энергиюсистемы— с помощью межатомногопотенциала. В ходе расчета минимизируется полная энергия системы, являющаясяфункцией координат атомов и двух переменныхWoиW1, характеризующих дальнодействующее поле дефекта. Решение этойвариационной задачи и дает искомые величины.

Расчетыпроводились для моно- и дивакансиис межатомным потенциалом Плишкина— Подчиненова.Область1содержала320 атомов в случаемоновакансии и319 атомов в случае дивакаисии, а область2содержала1280 атомов. Дивакансиясостояла из двух вакансий в положениях(0,0,0) и(1/2,1/2,0). Результаты расчетов приведены втаблице.

Результмырасчетов компонент тензора объемных деформаций для моно- и днвакансии.

Компонента

Моновакансия

Дивакансия

W

o, м ^-30

-0.75

-1.14

W

1, м^-30

0.00

-1.47

Изтаблицы видно, что при образовании комплекса из двухточечных дефектов, каждый из которых создает в среде сферически симметричноеполе упругих искажений, получается дефект дипольноготипа. Кроме того, при этом имеет место нарушение аддитивности измененияобъема, вызванного дефектами.

Равновесноераспределение диполей в упругом поле геттеразадается соотношением:

где (Со-концентрация диполей вдали от центра. Энергия диполяв поле центра в соответствии с(1)определяется выражением

где эффективная поляризация дипольного облака <img src="/cache/referats/912/image012.gif" v:shapes="_x0000_i1030"> определяется как

Величина -g

, характеризующая поля центра, являетсякомбинацией упругих постоянных среды и включения, а такжеразмера включения .

При проведении расчетов поформулам (2)—(5) температура, параметры g

иW1 варьировались с целью изучения их влияния на процессгеттерирования. Результаты численного моделирования представлены на рис.1 и2. Показаны распределения концентрациидиполей и поляризации вблизи преципитата радиуса rpдлядвух случаев, отличающихся знаком упругого поля преципитата. Анализ полученныхданных позволяет установить, что независимо от знака упругого поля преципитата имеет место обогащение диполями пространствавблизи преципитата.

Рис.1.Распределение диполей (а) и их поляризации (б)вблизи сферического преципитата с отрицательнымобъемным несоответствием —0.005 .

Рис.2. Распределение диполей(6) и их поляризация (б)вблизи сферического преципитата с положительным объемным несоответствием-0.005 .

Диффузионная модель процесса ВГ.

Для рассмотрениякинетики образования равновесногораспределения примеси вокруг преципитата запишем. уравнение диффузии в виде

— где j векторплотности потока частиц определяетсявыражением

После подстановки и перехода к сферическим координатам уравнение(9) принимает вид:

Уравнение(6) совместно с(3) и с соответствующими начальными и граничными условиями описываетэволюцию поля концентраций примесных комплексов С(r),а приt®

¥—равновесное состояние. В случае ограниченного числа частиц граничнымиусловиями являются: на внешней поверхности j=0, навнутренней границе разделаSi—Si02,j=VsC,гдеVs—коэффициент поверхностного массопереноса границыраздела кремний—окисел.Переходя в уравнении(6) к безразмернымпеременным :

получим :

<img src="/cache/referats/912/image028.gif" v:shapes="_x0000_i1038"> (7)

Результаты численного решения уравнения(7) показали, что при больших временахравновесное распределение является предельным для кинетических распределений.Для количественного представления эффективности процесса ВГ на рис.3представлена величина h-доляпримеси, геттерированной на преципитате,как функция безразмерного времени. Кривые1 и2описывают эффективность процесса ВГ соответственно с учетом и без учетаупругого взаимодействия. Параметр gсоответствует здесьотносительному линейному несоответствию включения и полости в матрице, вкоторую он вставлен, равному0,005, чтотипично для кислородного преципитата в кремнии, выращенном по методу Чохральского. Из рисунка видно, что дополнительныйвклад геттерирования, вследствие упругого взаимодействиясопоставим с величиной геттерирования в отсутствие упругого взаимодействия.При этом процесс ВГ при упругом взаимодействии протекает быстрее .

<img src="/cache/referats/912/image030.jpg" v:shapes="_x0000_i1039"> Рис.3. Доля геттерированныхпримесных атомов как функция времени в процентах к их полному числу приначальной концентрации (Со=10^-8): 1 -с учетом взаимодействия примесный комплекс-геттер.

2 -без учета взаимодействия

Развитая модель формирования атмосфер и геттерирования примесных атомовдипольного типа вблизи сферического преципитатапоказывает, что в условиях формирования комплексов примесный атом— точечный дефект кислородные преципитатымогут служить центрами конденсации примесных атомов. Если на поверхностипреципитата происходит распад комплекса, при котором на ней осаждается атомпримеси, то для поддержания равновесного значения концентрации потребуетсядиффузионно-дрейфовый подвод новых комплексов. Таким образом, в условиях- образования подвижных комплексов примесный атом—точечный дефект вдали от преципитата и ихраспада вблизи его развитая модель дает объяснение механизма геттерирования, которыйне имеет ограничения по пересыщению и служит«дрейфовым насосом», обеспечивающим уменьшение концентрации примеси в объемекристалла.

Анализ результатов расчетов позволяет выделить следующие моменты,определяющие свойства процессов ВГ.

n

эффективность геттерированияявляется функцией температуры, причем существует оптимальная температура длямаксимальной эффективности этого механизма геттерирования;

n

геттер (преципитатSiO2)действует не только как сток для примесей, но и какисточник междоузлийSi,которые активируют процесс ВГ;

n

собственные междоузлиякремния, инжектируемые растущим преципитатом в объем кристалла,взаимодействуют с геттерируемыми атомами, и напряжения влияют на увеличение дрейфовогопотока.

еще рефераты

Еще работы по технологии

Реферат по технологии

Технология ремонта автомобилей и дорожных машин

25 Июня 2015

Реферат по технологии

Эксплуатация машин в пустынно-степной местности

29 Августа 2013

Реферат по технологии

Пропиточные материалы

25 Июня 2015

Реферат по технологии

Термообработка

25 Июня 2015