Кремний, полученный с использованием "геттерирования" расплава

Кремний, полученный с использованием" геттерирования расплава .

В бездефектной технологии изготовления ИС для уменьшения влияния термодефектов используются ме¬тоды пассивного геттерирования примесей в пластинах. К таким методам относятся "внешнее геттсрирование" - нанесение внешних покрытий (поликремния, Si-,N^, переходных металлов) или механических по¬вреждений на нерабочую сторону кремниевой пластины и "внутреннее геттерирование" — намеренное обеспече¬ние путем термообработок выделений второй фазы Si0,, на которых адсорбируются микродефекты, при¬меси тяжелых и щелочных металлов. Однако в резуль¬тате таких воздействий на пластины ухудшаются меха¬нические свойства, что особенно заметно на подложках диаметром 100 и более миллиметров.

Процесс образования геттерирующей зоны проис¬ходит в несколько стадий, при этом самая высокая температура термообработки (ТО) не превышает lOOO^C, в то время как многоступенчатая технология изготовления ИС включает более высокотемпературные операции, например диффузию, эпитаксию. Известно, что при температурах выше 1000°С кислород из выделе¬ний вновь переходит в состояние твердого раствора, и при последующих термоциклах (430-500 и 600-800^0 опять появляются доноры, разрушаются комплексы примесей и микродефектов, что, в свою очередь, приво¬дит к нарушению термостабильности, снижению выхода годных, увеличению отказов.

Активное воздействие на дефекты и примеси пред¬полагает легирование монокристаллов в процессе их выращивания добавками, оказывающими влияние на свойства, состав расплава и твердого тела. При этом легирующий компонент должен удовлетворять следую¬щим требованиям:

— коэффициент распределения, значительно отли¬чающийся от единицы;

— эффективное изменение коэффициента распреде¬ления удаляемых примесей;

— отсутствие вредного влияния атомов "геттера" на свойства полупроводника.

Использование в качестве геттера водорода, пред¬ложенное Декоком, не нашло применения в промыш¬ленности, так как водород в процессе отжига удаляется из кристалла, вновь освобождая кислород и оставляя после себя напряженные участки кристаллической ре¬шетки.

Добавление в кремний изоморфных примесей (Ge, Pb, Sn) сказывается лишь на кинетике образования термодоноров, при этом сохраняется зависимость их поведения от температуры.

Легирование металлами, изобарный потенциал реак¬ции окисления которых больше, чем изобарный потен¬циал окисления кремния при температуре его плавления, дает возможность связывать кислород и порождаемые им термодефекты. Для этой цели могут быть выбраны примеси, образующие с кислородом более химически и термически стойкие оксиды, чем Si0^, которые к тому же электронейтральны в кремнии. Та¬кими примесями являются щелочноземельные металлы (Mg, Са, Sr, Ва), электрически нейтральные вследствие образования с кремнием полупроводнико¬вых соединений с ковалентной связью [1,2], и пере¬ходные металлы IV группы (Ti, Zr, Hf), нейтральные по причине сходства строения электронных оболочек их атомов с атомами кремния и также образующие стехиометрические фазы с кремнием. Экспериментальные дан¬ные показывают, что при добавлении этих металлов в расплав кислород связывается в жидком кремнии в прочные комплексы, содержащие атомы кремния и кислорода, коэффициент распределения которых гораздо меньше, чем у кислорода, который не связан в комплексы. В результате введения примесей -геттеров содержание кислорода в выращенных методом Чохральского монокристаллах может быть снижено до 2-10^ 7 смЗ .

Характер распределения Ti, Zr и Hf в монокристал¬лах вдоль оси роста аналогичен наблюдавшемуся ранее для щелочноземельных металлов в германии и кремнии, а также для примеси хрома в арсениде галлия. Методами химико-спектрального и активационного анализов, методом радиоактивных индикаторов (для циркония и гафния) показано, что в начальной части формируется концентрационный профиль со снижением концентра¬ции, затем переходная область, за которой следует об¬ласть нарастания концентрации вплоть до выпадения второй фазы. Распределение примесей-геттеров, а также уровень их концентрации в твердой фазе свидетельству¬ет о том, что их взаимодействие с кислородом происхо¬дит в расплаве с последующим распределением атомов металла, связанного и не связанного с кислородом, с различными коэффициентами сегрегации. Более высо¬кая концентрация примеси в начале слитка по сравне¬нию со средней его частью противоречит диаграммам состояния кремний-титан (цирконий, гафний), имею¬щим эвтектический переход, соответственно которому элементы IV группы должны иметь коэффициент рас¬пределения меньше единицы. Отсутствие зависимости характера распределения от условий -перемешивания расплава подтверждает данные о взаимодействии приме¬сей с кислородом. Следствием такого взаимодействия является различное поведение растворенного металла при кристаллизации кремния. Образуя комплексы, со¬ответствующие соединениям с высокой температурой плавления и прочными химическими связями, примесь металла IV-B может иметь коэффициент распределения больше единицы. Коэффициенты распределения титана, циркония и гафния, не связанных с кислородом, меньше единицы, и эти металлы оттесняются в конечную часть слитка. Снижение содержания кислорода в монокри¬сталлах, выращенных методом Чохральского с добав¬кой геттера, по сравнению с обычными монокристал¬лами подтверждает факт взаимодействия этих примесей в расплаве. Источником обнаруженного оптически ак¬тивного кислорода, по-видимому, служит тигель (Si0,).

Физическая модель процесса

внутреннего геттерированияв кремниевой

технологии .

Как известно, металлические примеси Au, Fe, Ni, Си и другие приводят к возникновению генерационно-рекомбинационных центров в активных областях приборов на основе кремния, что в свою очередь вызывает деградацию свойств приборов. Совокупность технологических приемов, позво¬ляющих снизить концентрацию таких центров, локализуя их вблизи преципитатов Si0x (xw2), расположенных вдали от активных областей при¬боров, называется методом внутреннего геттерирования (ВГ)..

По технологии ВГ накоплен обширный фак¬тический материал, однако физические принципы его механизма в настоящее время окончатель¬но не установлены [1, 2). Широкое распростра¬нение, например, получили представления о том, что центрами геттерирования являются дисло¬кации и дефекты упаковки, возникающие вслед¬ствие релаксации упругих полей и пересыщения по межузельному кремнию в процессе преципи¬тации кислорода при Г>700°С. Однако эти пред¬ставления не являются универсальными, что бы¬ло доказано рядом исследований. Так, в работе [3) показано, что в ряде случаев эффект гетте¬рирования проявляется и в отсутствие дислока¬ций и дефектов упаковки, при этом сам кисло¬родный преципитат является геттером. Другие авторы [41 обнаружили гексагональные и ром¬бические дислокационные петли в отсутствие кислородных преципитатов, на основании чего сделано предположение о том, что дислокацион¬ные петли возникают при высокотемпературном отжиге вследствие растворения преципитатов, образовавшихся ранее во. время низкотемпера¬турного отжига.

В данной работе представлены результаты исследований физических закономерностей про¬цесса ВГ, выполненных на кафедре общей физи¬ки МИЭТ, в которых развита модель дальнодействующего механизма взаимодействия примесь-центр геттерирования. Рассмотрена модель комп¬лекса примесь-точечный дефект, рассчитаны па¬раметры таких комплексов и найдено их неод¬нородное распределение в упругом поле преципи¬тата. Представлена также диффузионная модель ВГ на основе взаимодействия дипольных комп¬лексов с кислородным преципитатом.

Комплексы примесь-точечный дефект и их неоднородное распределение вблизи центра гетгерировання

Принципиальное отличие упругого взаимо¬действия примеси с дислокацией от взаимодей¬ствия со сферическим геттером проявляется в том, что упругое поле последнего характеризу¬ется чисто сдвиговой деформацией и энергия уп¬ругого взаимодействия равна нулю :

где К — модуль всестороннего сжатия материа¬ла среды, o — изменение объема, обусловлен¬ное примесным атомом, ii —дилатация упругого поля центра. Поэтому в условиях отсутствия ди-латацнонного взаимодействия и наличия пересы¬щения по собственным дефектам дальнодейст-вующий механизм упругого взаимодействия мо¬жет быть реализован взаимодействием диполь-ного типа. Дипольные свойства примесного ато¬ма могут быть реализованы в случае образова¬ния комплекса из двух точечных дефектов: атом примеси—собственный точечный дефект или атом примеси—атом другой примеси.

Количественной мерой взаимодействия комп¬лекса точечных дефектов с упругим полем центра дилатации является тетрагональность поля уп¬ругих искажений, создаваемых комплексом. В рамках континуальной теории упругости энергия точечного дефекта в поле ii задается выра¬жением:

Тензор IJ, называемый тензором объемных де¬формаций, полностью характеризует упругие свойства точечного дефекта. Для упругого дипо¬ля с осевой симметрией он имеет вид :

ni и nj — направляющие косинусы оси симмет¬рии диполя.

Для последовательного .количественного опи¬сания образования примесных сегрегаций вблизи центра геттерирования необходимо знать па¬раметры o и 1, характеризующие отдельный комплекс и определить рас¬пределение таких комплексов в пространстве, окружающем центр геттерирования. Расчеты характеристик комплекса проводились методом молекулярной статики. За основу был принят так называемый метод флекс-1 (метод гибкой гра¬ницы с перекрывающимися областями). Кри¬сталл разбивается на три области. Область 1, непосредственно окружающая кристалл, рассмат¬ривается как дискретная. В этой сильно