Кремний - конспект - Химия, Конспект из Химия
zaycev_ia
zaycev_ia21 June 2013

Кремний - конспект - Химия, Конспект из Химия

PDF (175.8 KB)
10 страница
548количество посещений
Описание
I.M. Sechenov Moscow Medical Academy. Реферат по химии. Кремний, полученный с использованием" геттерирования расплава . В бездефектной технологии изготовления ИС для уменьшения влияния термодефектов используются ме тоды...
20очки
пункты необходимо загрузить
этот документ
скачать документ
предварительный показ3 страница / 10
это только предварительный показ
консультироваться и скачать документ
это только предварительный показ
консультироваться и скачать документ
предварительный показ закончен
консультироваться и скачать документ
это только предварительный показ
консультироваться и скачать документ
это только предварительный показ
консультироваться и скачать документ
предварительный показ закончен
консультироваться и скачать документ
???????, ?????????? ? ??????????????" ?????????????? ????????

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), имеющим 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 иска женной области координаты атомов учитывают ся индивидуально, а

энергия рассчитывается с помощью межатомного потенциала. Область 3, наиболее удаленная от дефекта, представляется как упругий континуум. Вклад этой области в общую энергию системы определяется решением уравнений теории упругости, т.е. величинами 0 и 1 и упругими постоянными среды. Область 2 является промежуточной. Координаты атомов в этой области определяются коллективно также » соответствии с теорией упругости, а вклад в энергию системы — с помощью межатомного потенциала. В ходе расчета минимизируется полная энергия системы, являющаяся функцией координат атомов и двух переменных o и 1, характеризующих дальнодействующее поле де фекта. Решение этой вариационной задачи и дает искомые величины.

Расчеты проводились для моно- и дивакансии с межатомным потенциалом Плишкина— Подчиненова. Область 1 содержала 320 атомов в случае моновакансии и 319 атомов в случае дивакаисии, а область 2 содержала 1280 атомов. Дивакансия состояла из двух вакансий в поло жениях (0,0,0) и (1/2, 1/2,0). Результаты расче тов приведены в таблице.

Результмы расчетов компонент тензора объемных деформаций для моно- и днвакансии .

Компонента Моновакансия Дивакансия o , м ^-30 -0.75 -1.14 1 , м^-30 0.00 -1.47

Из таблицы видно, что при образовании комп лекса из двух точечных дефектов, каждый из которых создает в среде сферически симметрич ное поле упругих искажений, получается дефект дипольного типа. Кроме того, при этом имеет ме сто нарушение аддитивности изменения объема, вызванного дефектами .

Равновесное распределение диполей в упругом поле геттера задается соотношением:

где (Со - концентрация диполей вдали от цент ра. Энергия диполя в поле центра в соответст вии с (1) определяется выражением

где эффективная поляризация дипольного облака определяется как

Величина -, характеризующая поля центра, яв ляется комбинацией упругих постоянных среды и включения, а также размера включения . При проведении расчетов по формулам (2)—(5) температура, параметры  и 1 варьи ровались с целью изучения их влияния на про цесс геттерирования. Результаты численного мо делирования представлены на рис. 1 и 2. Пока заны распределения концентрации диполей и по ляризации вблизи преципитата радиуса rp для двух случаев, отличающихся знаком упругого поля преципитата. Анализ полученных данных позволяет установить, что независимо от знака упругого поля преципитата имеет место обогаще ние диполями пространства вблизи преципи тата.

Рис. 1. Распределение ди полей (а) и их поляри зации (б) вблизи сфери ческого преципитата с отрицательным объемным несоответствием —0.005 .

Рис. 2. Распределение ди полей (6) и их поляризация (б) вблизи сфериче ского преципитата с положительным объемным несоответствием -0.005 .

Диффузионная модель процесса ВГ. Для рассмотрения кинетики образования рав новесного распределения примеси

вокруг преци питата запишем. уравнение диффузии в виде

- где j вектор плотности потока частиц определяется выражением

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

Уравнение (6) совместно с (3) и с соответст вующими начальными и граничными условиями описывает эволюцию поля концентраций примес ных комплексов С(r), а при t равновес ное состояние. В случае ограниченного числа частиц граничными условиями являются: на внешней поверхности j=0, на внутренней границе раздела Si—Si02, j=VsC, где Vs— коэффициент поверхностного массопереноса границы раздела кремний—окисел . Переходя в уравнении (6) к безразмерным переменным :

получим :

(7)

Результаты численного решения уравне ния (7) показали, что при больших временах равновесное распределение является предельным для кинетических распределений. Для количест венного представления эффективности процесса ВГ на рис. 3 представлена величина -доля при меси, геттерированной на преципитате, как функ ция безразмерного времени. Кривые 1 и 2 описы вают эффективность процесса ВГ соответствен но с учетом и без учета упругого взаимодейст вия. Параметр  соответствует здесь относитель ному линейному несоответствию включения и полости в матрице, в которую он вставлен, равно му 0,005, что типично для кислородного преципи тата в кремнии, выращенном по методу Чохральского. Из рисунка видно, что дополнительный вклад геттерирования, вследствие упругого взаи модействия сопоставим с величиной геттерирова ния в отсутствие упругого взаимодействия. При этом процесс ВГ при упругом взаимодействии протекает быстрее .

Рис. 3. Доля геттерированных примесных атомов как функция времени в процентах к их полному числу при начальной кон центрации (Со=10^-8): 1 - с учетом взаимодей ствия примесный комплекс-геттер. 2 - без учета взаи модействия

Развитая модель формирования атмосфер и геттерирования примесных атомов дипольного типа вблизи сферического преципитата показы вает, что в условиях формирования комплексов примесный атом — точечный дефект кислород ные преципитаты могут служить центрами кон денсации примесных атомов. Если на поверхности преципитата происходит распад комплекса, при котором на ней осаждается атом примеси, то для поддержания равновесного значения концентра ции потребуется диффузионно-дрейфовый под вод новых комплексов. Таким образом, в усло виях- образования подвижных комплексов при- месный атом—точечный дефект вдали от преци питата и их распада вблизи его развитая модель дает объяснение механизма геттерирования, ко торый не имеет ограничения по пересыщению и служит «дрейфовым насосом», обеспечиваю щим уменьшение концентрации примеси в объеме кристалла.

Анализ результатов расчетов позволяет вы делить следующие моменты, определяющие свой ства процессов ВГ.  эффективность геттерирования является функцией температуры,

причем существует оп тимальная температура для максимальной эф фективности этого механизма геттерирования;

 геттер (преципитат SiO2) действует не только как сток для примесей, но и как источник междоузлий Si, которые активируют процесс ВГ;

 собственные междоузлия кремния, инжек тируемые растущим преципитатом в объем кри сталла, взаимодействуют с геттерируемыми ато мами, и напряжения влияют на увеличение дрейфового потока.

комментарии (0)
не были сделаны комментарии
Напиши ваш первый комментарий
это только предварительный показ
консультироваться и скачать документ
Docsity не оптимизирован для браузера, который вы используете. Войдите с помощью Google Chrome, Firefox, Internet Explorer 9+ или Safari! Скачать Google Chrome