Технология полупроводникового кремния - Фалькевич Э.С.
ISBN 5-229-00740-0
Скачать (прямая ссылка):
Механизм образования термодоноров до конца не ясен, но можно утверждать, что их образование связано с выделяющимися из твердого раствора комплексами кремний - кислород, причем в этих соединениях каждый атом кремния может быть связан с атомами кислорода в количестве от нуля до четырех. Выделяющиеся комплексы могут быть более сложными по примесному составу, т.е., кроме кислорода, могут содержать углерод, легирующий элемент и другие примеси.
Основным методом уменьшения количества термодоноров в выращенных монокристаллах кремния является их отжиг при 920 К с последующим быстрым охлаждением. Тем не менее устранение влияния термодоноров, в особенности в монокристаллах больших диаметра и массы, остается достаточно сложной технической задачей и в настоя-. щее время широко исследуется.
Основным источником кислорода в кремнии является растворяющийся в процессе выращивания монокристалла кварцевый тигель. Взаимодействие расплава кремния и кварца происходит в соответствии с реакцией
SiO2TB + Si» +* 2 SiOr • (35)
В соответствии с данными [196] изменение стандартного термодинамического потенциала этой реакции, определенное экспериментально, имеет вид: AZ = 117100 - 50,9 Г, т.е. AZ вплоть до температуры ~ 2300 К остается величиной положительной и химического взаимодействия быть не должно. Однако на практике процесс растворения кварцевого тигля протекает достаточно активно. Скорость растворения кварца в расплаве составляет ~ 6 мг/(см2 • ч) в вакууме при остаточном давлении ~ 0,007 Па и 2 мг/(см2 • ч) в атмосфере гелия при ~ 152 кПа [197]. Различные области тигля растворяются с разными скоростями, и величина скорости растворения с увеличением времени уменьшается. Скорость растворения кварцевого тигля существенно зависит от сос-
293
тояния его поверхности, содержания примесей в кварце и интенсивности перемешивания расплава1’ 2.
Особенности взаимодействия кварца с расплавом в условиях процесса выращивания из загрузок большой массы изучены недостаточно. В работе [198] лишь указано, что в диапазоне давлений аргона в камере 0,13-101,3 кПа скорость растворения кварца после выдержки в течение 2 ч в расплаве практически не изменяется и незначительно возрастает по мере увеличения температуры расплава.
Установлено [199, 200], что при расходах инертного газа 8,33- IO"5 и 25 • IO"5 м3/с, температуре расплава 1703-1733 К и давлении в камере (0,13-1,33)102 кПа взаимодействие кварцевых тиглей с расплавом происходит в соответствии с реакцией (35) и потери масс реагирующих веществ в основном связаны с уносом образующегося монооксида кремния [200].
В диапазоне давлений 1,1-1,6 кПа скорость растворения кварцевого тигля невелика: (1,3-1,5)10'3 г/(см2 • ч) и отвод образующегося монооксида кремния из зоны кристаллизации возможен при малых (~ 8 • IO*5 м3/с) расходах инертного газа. Данный диапазон давлений и расхода газа является предпочтительным для воспроизводимого получения бездислокационных монокристаллов.
Скорость растворения кварца немонотонно убывает с увеличением давления в камере и зависит от природы и концентрации легирующего элемента в расплаве. При изменении концентрации бора или фосфора
в расплаве от 2 • IO14 до 2 • IO16 ат/см3 скорость растворения кварцевого тигля уменьшается от 4,5 • IO'3 до 2,8 • 10"э г/(см2 • ч) для фосфора и от 2,7 • IO"3 до 2,3 • IO"3 г/(см2 • ч) для бора (при давлении 0,13 кПа).
Современный уровень развития технологии метода Чохральского в нашей стране и за рубежом позволяет получать монокристаллы с весьма высокой однородностью распределения кислорода. Обеспечение радиальной однородности достигается за счет управления потоками вынужденной конвекции в расплаве [201]. Использование метода плавающего тигля [202] позволяет получать однородное распределение кислорода по объему монокристалла и может обеспечить поддержание заданного дискретного уровня его концентрации. Было описано, что эффективным методом управления содержанием кислорода в монокристалле кремния является воздействие на расплав магнитного поля.
Углерод в кремнии является электрически нейтральной примесью замещения с максимальной растворимостью при термодинамическом равновесии в точке плавления по разным данным 3,5- 1017 см*3 [54]
1 Пат. 4010064. США. 1977; 404895. США. 1977.
2 Пат. 53-11817. Япония. 1978.
294
и 8 • IO17 см'3 [203], максимальная растворимость при 1470 К в твердом растворе составляет 5- IO16 см'3. Эта примесь способна оказывать сильное влияние на состояние комплексов точечных дефектов и процессы дефектно-примесного взаимодействия в кремнии.
Углерод может блокировать термически введенные в монокристалл дислокации [204], обусловливать аномально высокую скорость диффузии золота.[203], являться причиной высоких токов утечки р-п-переходов [205]. В зависимости от концентрации углерода при термических обработках кремния в нем могут существенно видоизменяться процессы преципитации кислорода [206], формирования высоко- и низкотемпературных термодоноров [207, 208] и термоакцепторов1, образования комплексов с электрически активными примесями [193], свирлевых дефектов [209]. Образованием с участием углерода комплексов (выделений) объясняются полученные результаты по изучению влияния углерода на термостабильность УЭС и тн н з [210]. Оказалось, что при термической обработке при 903 К (скорость нагрева и охлаждения 20 К/мин, время выдержки 60 мин) величина отклонения УЭС от значения, обусловленного легирующим элементом, уменьшается с ростом концентрации углерода от I-1016 до 7,5 • IO17 см"3.
