WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Складні системи і процеси № 1, 2005 СКЛАДНІ ФІЗИЧНІ СИСТЕМИ І ПРОЦЕСИ СКЛАДНІ ФІЗИЧНІ СИСТЕМИ І ПРОЦЕСИ УДК 537.31:539.21:539.67 ВПЛИВ ВИСОКОТЕМПЕРАТУРНИХ ОБРОБОК НА ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ МОНОКРИСТАЛІВ ТА МОНОКРИСТАЛІЧНИХ ШАРІВ КРЕМНІЮ Бахрушин В.Є.

Гуманітарний університет "Запорізький інститут державного та муніципального управління", вул. Жуковського, 70-б, Запоріжжя, Україна, 69002 Vladimir.Bakhrushin@zhu.edu.ua Вступ Сучасна технологія виготовлення багатьох напівпровідникових приладів та інтегральних схем передбачає проведення низки високотемпературних процесів (епітаксія, дифузія, окислення, осадження полікристалічних шарів тощо) при температурах 1200 К та вище.

Такі обробки можуть спричинювати різноманітні перебудови домішково-дефектної підсистеми, що відбиватиметься на електрофізичних та інших властивостях кристалів. Для слабколегованих монокристалів і монокристалічних шарів кремнію найбільш суттєвими є процеси, що призводять до зміни концентрацій щільних донорів і акцепторів, а також рекомбінаційно активних центрів.

У літературі є дані, що свідчать про нестабільність фізичних властивостей слабколегованих монокристалів кремнію при високотемпературних обробках. Основними типами змін є істотне зниження питомого електричного опору (ПЕО) кристалів з електронним типом провідності [1-3], перекомпенсування кристалів з дірковим типом провідності [4], суттєве зменшення часу життя нерівноважних носіїв заряду [5; 6] та утворення специфічних ямок на поверхні кристалів з підвищеним вмістом кисню [7; 8]. Характер та степінь змін значною мірою залежать від складу атмосфери, у якій здійснюють обробку, вмісту кисню у кристалі, вихідного значення ПЕО, швидкості охолодження і товщини пластини (шару). Їх причинами можуть бути: проникнення у кристал швидкодифундуючих металевих домішок із апаратури, атмосфери та інших джерел [9]; генерація нерівноважних точкових дефектів, домішково-дефектних комплексів [10] та інших електрично активних центрів; пасивація електрично активних домішок і дефектів; відпал нерівноважних і метастабільних електрично активних дефектів, які містилися у кристалі; їх перерозподіл між різними станами у кристалі. Наявні дані дають підстави припускати, що усі перелічені механізми тією чи іншою мірою впливають на зміну властивостей слабколегованих кристалів кремнію при термічних обробках.

Метою даної роботи був аналіз даних про вплив високотемпературних обробок в атмосфері, що містить водень, на електрофізичні властивості слабколегованих монокристалів і монокристалічних шарів кремнію.

1. Вплив високотемпературних обробок на питомий електричний опір кристалів Нестабільність параметрів слабколегованих кристалів кремнію при високотемпературних обробках уперше описано у роботі [1], де вивчалися кристали кремнію з електронним і дірковим типами провідності і вихідним ПЕО понад 170 Ом·см, отримані методами Чохральського і БЗП. Автори спостерігали утворення донорних центрів після відпалу в атмосфері водню при 1570 К і наступного швидкого охолодження. При охолодженні зі швидкістю 0,6 К/хв донорні центри утворювалися лише у кристалах, вирощених за методом Чохральського, а у БЗП - кремнії формувалися акцепторні центри. На думку авторів, така Складні системи і процеси № 1, відмінність зумовлена тим, що при швидкому охолодженні на першому етапі утворюється пересичений твердий розчин кисню в кремнії, розпад якого на другому етапі веде до виникнення кисневих термодонорів. При більш низькій швидкості охолодження процес супроводжується преципітацією кисню і його концентрація в розчині виявляється недостатньою для формування термодонорів. Тому тип провідності і величина ПЕО після відпалу визначаються концентрацією та типом залишкових домішок у вихідному кристалі та забрудненнями під час відпалу. Подальші дослідження показують, що механізми зміни електрофізичних властивостей при високотемпературних обробках є складнішими.

У табл. 1 наведено дані про вплив високотемпературних обробок на величину ПЕО монокристалів і монокристалічних шарів кремнію. Як бачимо, ці дані є суперечливими і певною мірою підтверджують вказану вище багатофакторність впливу відпалу на електрофізичні властивості кремнію.

У роботі [3] нами було проведено зіставлення впливу відпалу у протоці високочистого водню з точкою роси < 200 К на ПЕО слабколегованих пластин БЗП-кремнію товщиною 500 - 700 мкм і слабколегованих епітаксійних шарів, товщиною 20 - 150 мкм, сформованих методом водневого відновлення трихлорсилану на підкладках КЕС-0,01 і КЕС-0,товщиною 500 - 700 мкм. Як пластини, так і епітаксійні шари мали електронний тип провідності. Відпал виконували у кварцовому реакторі, де здійснювалося осадження епітаксійних шарів. Це давало підстави вважати, що при обробці не відбувається істотного додаткового забруднення кристалів. Пірометрична температура відпалу становила 1370 - 1470 К, а середня швидкість охолодження до 900 К – порядку 100 К/с.

Таблиця Вплив високотемпературного відпалу на питомий електричний опір (ПЕО) слабколегованих кристалів кремнію Джерело Умови проведення Зміна ПЕО процесу [4] 10х10х1 мм, 870 Ом·см (вих.) 520 Ом·см (4 год) вакуум, 1370 К.

180 Ом·см (45 год) Термоциклювання [11, 12] 1070 - 1470 К, ПЕО 20 - 80 Ом·см, не змінюється за будь5 - 240 год, швидкість охо- яких режимів лодження 1 К/хв, КЭФ-20, БЗП n-Si [2, 13, 1270 К; n-Si Знижується від декількох кОм·см до 14] 300 - 500 Ом·см або від 200 - 250 Ом·см до 80 - 150 Ом·см [1] 1570 К, 1 год, гелій, шайби При повільному охолодженні зменшення в n-Si товщиною 8 мм і зростання в p-Si. При швидкому (0,6 К/хв) охолодженні зменшення в p-Si БЗП і конверсія типу провідності в p-Si (Чохр) На рис. 1, 2 показано профілі розподілу ПЕО за товщиною епітаксійного шару після відпалу, виміряні методом опору розтікання. Для спеціально нелегованих шарів з вихідним значенням ПЕО близько 1 кОм·см, осаджених на підкладках КЕС-0,01 (рис. 1), термообробка зумовлює різке зменшення ПЕО в усьому шарі, крім його приповерхневої області товщиною близько 5 мкм. Поблизу поверхні, навпаки, спостерігається зростання ПЕО, значення якого може перевищувати його вихідну величину. При великих тривалостях відпалу величина ПЕО основної частини епітаксійного шару стабілізується на рівні - 30 Ом·см, незалежно від його вихідного значення. Для легованих фосфором шарів з ви Складні системи і процеси № 1, хідним значенням ПЕО 50 Ом·см, осаджених на підкладках КЕФ-0,2 (рис. 2), зменшення ПЕО при відпалі є незначним. Це може бути пояснено близькістю вихідного ПЕО до рівня, на якому в попередньому випадку спостерігалася стабілізація. Іншими істотними відмінностями є відсутність приповерхневої області з високою величиною ПЕО, а також помітне розширення перехідної області між підкладкою та шаром, зумовлене більшим (приблизно на порядок) коефіцієнтом дифузії фосфору порівняно із сурмою при температурі відпалу. Ці результати узгоджуються з даними [15], отриманими НВЧ методом.

0,d, мкм -15 Рис. 1. Профілі ПЕО епітаксійної композиції (нелегований шар на підкладці КЭС-0,01) після відпалу у водні при температурі 1400 К протягом 0,5 год (2) і 4 год (3). 1 – вихідний зразок 2 0,-5 0 5 10 X, мкм 15КЭФРис. 2. Профілі ПЕО епітаксійної композиції після відпалу у водні при 380КЭФ0,температурі 1400 К протягом 0,5 год (2) і 4 год (3). 1 – вихідний зразок.

Повний час охолодження зразків після відпалу в наших умовах не перевищував 10 - 15 хв, що недостатньо для утворення помітної кількості кисневих термодонорів. Для дода, Ом*см, Ом*см Складні системи і процеси № 1, ткової перевірки припущення про можливість їх формування за рахунок кисню, що дифундує під час відпалу із підкладки до епітаксійного шару, досліджували вплив відпалу на повітрі при 720 К протягом 2 - 10 год на величину ПЕО аналогічних зразків (епітаксійних композицій). При цьому не спостерігали будь-яких помітних змін ПЕО після відпалу, що дає підстави вважати механізм деградації електрофізичних властивостей складнішим, ніж це припускалося в [1].

Порівняння впливів відпалу на профілі ПЕО наведені на рис. 1, 2 показує, що зміна ПЕО основної частини шару не пов’язана з дифузією домішок з поверхні або із підкладки до епітаксійного шару, а викликана дефектами, які утворюються в самому шарі. Формування тонкої приповерхневої області у спеціально нелегованих епітаксійних шарах може бути пов’язано з домішками, що дифундують до шару із атмосфери, або з дефектами, що утворюються на межі розділу "шар - атмосфера". При цьому відповідні домішки або дефекти, а також дефекти, що зумовлюють зниження величини ПЕО основної частини шару, мають відносно низькі коефіцієнти дифузії, що призводить до формування чіткої межи між областями, де переважають одні або інші дефекти.

На рис. 3 показано профілі розподілу ПЕО у приповерхневій області пластин БЗП кремнію з електронним типом провідності після аналогічних обробок. Результати, що спостерігаються, є подібними до отриманих при відпалі спеціально нелегованих епітаксійних шарів і узгоджуються із сформульованими вище припущеннями.

0 5 10 X, мкм Рис. 3. Профілі ПЕО приповерхневої області пластини БЗП кремнію після відпалу у водні при температурі 1400 К протягом 0,5 год (2) і 4 год (3). 1 – вихідний зразок 2. Кінетика зміни концентрації донорних центрів, що утворюються під час відпалу У роботі [3] нами було досліджено кінетику зміни концентрації нескомпенсованих донорів при високотемпературному відпалі в атмосфері водню слабколегованих монокристалів та епітаксійних шарів кремнію з електронним типом провідності (рис. 4). Концентрації перераховували з експериментально виміряних значень ПЕО, використовуючи літературні дані про рухливість електронів. Вказана кінетика описується рівнянням:

= N* - N t - N0 = N* exp /, (1) ( ) (-t ), Ом*см Складні системи і процеси № 1, де N* – концентрація насичення; N0 – концентрація нескомпенсованих донорів у слабколегованому шарі до відпалу; t – тривалість відпалу, – час релаксації.

0 2500 5000 7500 Тривалість відпалу, с Рис. 4. Залежність параметра рівняння (1) від тривалості високотемпературного відпалу у водні при 1400 К: 1 – БЗП - кремній; 2 – епітаксійний шар Параметри рівняння (1) для пластин становлять: N* = 1,5·1014 см-3; = 2·104 c, а для епітаксійних шарів – N* = 6·1014 см-3; = 3·103 c. Величина питомого опору усередині вихідного слабколегованого епітаксійного шару повільно зменшується у напрямку від його поверхні до межі з підкладкою (рис. 1). Причиною цього може бути те, що більш глибокі області піддаються частковому відпалу під час формування шару, що призводить до генерації в них донорних центрів за тим самим механізмом, що й при додатковому спеціальному відпалі. Обробка профілів розподілу питомого електричного опору у припущенні, що кінетика накопичення донорних центрів описується рівнянням (1), показала, що для точок, які відповідають тривалості відпалу приблизно до 30 хв, параметри кінетичної залежності є такими самими, як і для монокристалічних пластин (рис. 4). Отримані значення параметрів N*, не суперечать наявному в літературі [16-18] припущенню про зв’язок донорних центрів, що утворюються, з комплексами, які містять власні точкові дефекти. Це припущення підтверджується також більш легким утворенням донорних центрів в епітаксійних шарах, які у вихідному стані містять дислокації, що можуть сприяти утворенню власних точкових дефектів, а також поступовим зростанням величини питомого електричного опору після відпалу (рис. 5), що може бути пов’язано з розпадом утворених центрів.

3. Рівні дефектів, що утворюються при високотемпературних обробках кремнію Дані про рівні, що, згідно з [4; 10; 13; 14; 16-19], з’являються в монокристалах кремнію після відпалу в атмосферах чистого водню, а також водню, який містить добавки сполук хлору (ХМА) наведено в табл. 2. Концентрації центрів, яким вони відповідають, знаходяться в межах 109 - 1013 см-3. Наявні дані є досить суперечливими, що свідчить про необхідність подальшого вивчення процесів дефектоутворення в кремнії під час його високотемпературних обробок. Згідно з [20], у слабколегованих монокристалах кремнію при високотемпературному відпалі можуть утворюватися також центри з електронними рівнями Ec – 0,24 еВ і Еc – 0,36 еВ, перший з яких, імовірно, пов’язаний з міжвузловинними атомами вуглецю або кремнію. Крім того, може спостерігатися рівень Ec – 0,08 еВ, аналогічний тим, що індукуються пружними полями крайових дислокацій [21].

ln Складні системи і процеси № 1,, Ом*см 0,0,-10 10 30 50 d, мкм Рис. 5. Профілі питомого електричного опору епітаксійної композиції після відпалу у водні при 1400 К протягом 1 год: 1 – вимірювання виконані за добу після відпалу; 2 – вимірювання виконані за 10 міс. після відпалу Таблиця Рівні, що утворюються у кремнії при високотемпературних відпалах Джерело Параметри рівнів Примітки [13] T > 1270 К Ec - 0,28, n = 4·10-17;

Ec - 0,54, n = 10-15, p(300 K) 10-20, p~exp(-0,067/kT) – подвійні донори [11] Ec - 0,28; n-Si, відпал при T > 1270 К Ec - 0,54, p(300 K) 10-20, p = 1,55·1019exp(-0,067/kT) – подвійні донори – поодинокі атоми сірки;

Ec - 0,[11] Ev + 0,33; p-Si, відпал при T > 1270 К Ev + 0,[12] p-Si с УЭС > 104 Ом·см, 1420 К, Ev + 0,43 (Д), p = 10-15 ( Fei - ) 3 год, 2 К/хв [4] Ec - 0,18 (Д); відпал при 1270 - 1370 К Ec - 0,32 (Д); у процесі термокомпресійного Ec - 0,38 (Д); з’єднання пластин Ec - 0,53 (Д), p(290 K) = 10-усі рівні сірки [16] H2;

Ec - 0,18; = 3·10-16 (A-центр);

1420 К, 4 хв Ec - 0,23, = 7·10-17;

Ec - 0,24, = 5·10-14 (v2);

Ec - 0,30, = 2·10-14 (v2-O);

Ec - 0,54, = 4·10-13 (Au) [16] ХМА;

Ec - 0,12, = 5·10-16;

1420 К, 4 хв Ec - 0,24, = 5·10-14 (v2);

Ec - 0,27, = 5·10-12 (v3-O);

Складні системи і процеси № 1, Джерело Параметри рівнів Примітки Ec - 0,30, = 2·10-14 (v2-O);

Ec - 0,54; = 4·10-13 (Au) [17] орієнтація (111), ХМА;

Ec - 0,12, = 10-16;

1420 К, 4 хв Ec - 0,24, = 5·10-14 (v2);

Ec - 0,30, = 2·10-14 (v2-O);

Ec - 0,54, = 4·10-13 (Au);

Ev + 0,45, = 7·10-15 - 1·10-(vx-O або v-B);

Ev + 0,36 (v2-C-O);

Ev + 0,19, = 3·10-16 (v2) [17] орієнтація (100), ХМА;

Ec - 0,27, = 5·10-12 (v3-O);

1420 К, 4 хв Ev + 0,27, = 10-16 (Al-v або AlI);

Ev + 0,23, = 3·10-13 (Al-v або AlI) Ev + 0,19 (v2) [18] 1170 - 1420 К;

Ec - 0,27, n = 1·10-17;

БЗП-Si Ec - 0,4, n = (0,3 - 3)·10-12;

Ec - 0,45, p = 6·10-16;

Ec - 0,55, n = 3·10-15;

Ev + 0,3, n = 3·10-[18] 1170 - 1420 К;

Ec - 0,22, n = 2·10-15;

Si (Чохр.) Ec - 0,27, n = 1·10-17;

Ec - 0,38, n = 4·10-14;

Ec - 0,39, n = 2·10-16;

Ec - 0,4, n = (0,3 - 3)·10-12;

Ec - 0,45, p = 6·10-16;

Ec - 0,55, n = 3·10-[4] Ec - 0,56; БЗП-Si, 1370 К, вакуум, Ev + 0,41; 4 - 45 год, Ev + 0,[10, 19] 1270 - 1520 К, 1 - 40 год, Ec - 0,277, = 1,9·10-17;

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.