Введение к работе
Актуальность темы. По всем прогнозам на ближайшее десятилетие кремний остается основным материалом полупроводниковой промышленности. При этом около 80 % используемых монокристаллов Si выращиваются методом Чохральского, так как только данный метод допускает получение слитков большого диаметра (100-400 мм) с высокой степенью химического и структурного совершенства. Характерной особенностью таких кристаллов является высокое (до — 2 1018 ат/см") содержание кислорода, который может оказывать как полезное, так и вредное влияние на качество пластин Si и приборов на их основе.
Известно, что нагрев кристаллов при температурах 300-800 С обуславливает формирование донорных комплексов (так называемых термодоноров и "новых доноров"), а при температурах 700-1250 С -выпадение твердого раствора кислорода во вторую фазу с образованием окисных преципитатов и микродефектов. С одной стороны, это отрицательно влияет на термостабилыгостъ электрических свойств и дефектность кремния. С другой стороны, преципитация кислорода в объеме пластин обеспечивает внутреннее геттерирование нежелательных примесей и дефектов из активной области полупроводниковых структур. Внутреннее геттерирование особенно привлекательно для технологии СБИС, использующей низкотемпературные (<950 С) обработки, при которых коэффициент диффузии металлических примесей становится недостаточным для их эффективного выведения с помощью традиционной техники геттерирования, использующей обратную сторону пластин. Наряду с геттерирующим действием преципитация кислорода предотвращает пластическую деформацию (коробление) пластин Si при проведении термических обработок. Формирование кислородосодержащих термодоноров при температурах 300-500 С также может быть использовано в низкотемпературной технологии производства фотоприемников, детекторов излучений, солнечных элементов и друпгх изделий микро- и оптоэлектроники.
Реализация вышеуказанных положительных свойств кислородных комплексов в технологии изготовления приборов предьявляет высокие требования к уровню содержания и однородности распределения кислорода в кремниевых пластинах. Так, например, для создания внутреннего геттера в процессе изготовления СБИС разброс кислорода в пластинах не должен превышать 10 %. Известно также, что скорость введения термодоноров пропорциональна концентрации кислорода в четвертой степени. Поэтому существует настоятельная необходимость обеспечения контролируемого и однородного внедрения кислорода в процессе роста слитков Si методом Чохральского. Эта задача к настоящему времени не решена, так как до конца
невыясненным остается механизм внедрения примесей и, в особенности, кислорода при росте кристаллов в условиях гравитационной конвекции расплава Si. Последнее наталкивается на трудности, связанные, прежде всего, с отсутствием прямых экспериментальных методов контроля как потоков расплава Si в процессе роста, так и осевого распределения кислорода в выращиваемых слитках. Все это предопределяет актуальность разработки методики неразрушающего измерения распределения кислорода вдоль оси роста слитков и установление в его осевом распределении закономерностей, связанных с гравитационной конвекцией расплава Si в процессе роста.
Связі» работы с крупными научными программами, темами. Работа выполнялась на кафедре атомной физики и физической информатики физического факультета Белгосунивсрситета в рамках:
-хоздоговорной НИР №10820 по теме': "Разработка методики и устройства для контроля кислорода и процессов его преципитации с целью создания эффективных геттеров в пластинах кремния", № гос. регистр. 01860119822, 1997 г.;
-хоздоговорной НИР №10856 по теме: "Разработка методики и устройства для профилирования кислорода в слитках кремния", № гос. регистр. 01880031376, 1990 г.;
-заданий Республиканских научно-технических программ "Синергетика" по теме: "Провесги исследование поведения примеси кислорода в кристаллах кремния и германия на основе явления самоорганизации", № гос. per. 19941280, 1991-1995 г.г. и "Синергетика-2" по теме "Установить закономерности и разработать физические принципы контроля нестационарной конвекции расплава кремния в условиях роста кристаллов", выполняемой в 1996-2000 г.г.;
-программы "Модификация поверхности концентрированными потоками энергии" по теме: "Исследовать механизмы электрон-фононной релаксации энергии на поверхности и в объеме кремния при воздействии излучений ближнего и среднего диапазонов ИК-спектра", выполняемой в 1996-2000 г.г.
Цель работы. Целью настоящей работы являлось установление закономерностей распределения кислорода вдоль оси роста слитков кремния и выяснение, на этой основе, механизма внедрения кислорода в монокристаллы, выращиваемые методом Чохральского.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи исследования:
1. Разработать методические основы измерения распределения кислорода вдоль оси роста слитков кремния большого (>100 мм) диаметра.
-
Провести экспериментальное исследование профилей распределения кислорода в кристаллах кремния, выращенных методом Чохральского.
-
Установить роль гравитационной конвекции расплава в распределении кислорода вдоль оси роста слитков кремния.
Объекты исследований. Объекты исследований: пластины и слитки п- и р-типа проводимости, выращенные методами зонной плавки и Чохральского с удельным сопротивлением (0,3-400) Qcm и с концентрацией междоузельного кислорода в диапазоне от Г1015 до 1,5' 1018 см"3.
Методология и методы проведения исследований. Концентрация кислорода в пластинах кремния определялась из измерений спектров поглощения в области полосы 9 мкм с помощью двухлучевого спектрометра "Спекорд 75 ИР". Для контроля радиального распределения кислорода в пластинах использовались специальные приставки, реализующие фокусировку световых пучков и измерения методом угла Брюстера.
Для измерений осевого распределения кислорода в слитках кремния использовался макет ИК-спектрометра, методические основы работы которого разработаны в данной работе.
Удельное сопротивление монокристаллов измерялось
четырехзондовым методом на промышленной установке "ИУС-3".
Научная новизна и значимость полученных результатов. Научная новизна и значимость полученных результатов заключается в том, что впервые:
-
Разработаны методические и метрологические основы работы спектрометров, предназначенных для неразрушающего и экспрессного контроля осевого распределения кислорода в слитках кремния большого (100-200 мм) диаметра.
-
Обнаружены полосы четырехфононного поглощения света решеткой кремния в области полосы междоузельного кислорода при 5,8 мкм.
-
Определён показатель степени (1,68) для спектральной зависимости коэффициента поглощения света свободными носителями заряда в области длин волн < 12 мкм в кристаллах кремния с концентрацией носителей заряда < ПО17 см"3.
-
Обнаружены крупномасштабные (~ 1 см) осцилляции концентрации кислорода вдоль оси роста слитков кремния и доказана их связь с нестационарной гравитационной конвекцией расплава в процессе роста.
-
Определены критические числа Рэлея для перехода от турбулентного к квазипериодическому и от квазипериодического к стационарному режимам конвекции расплава кремния в ростовой системе Чохральского.
Практическая зпачимосіь полученных результатов. Разработанная методика регистрации коэффициента поглощения света кремнием в области полосы 5,8 мкм использована при создании макета инфракрасных спектрометров нового типа, которые предназначены для неразрушающего контроля концентрации и распределения кислорода вдоль оси роста промышленных слитков кремния. Макеты таких спектрометров, изготовленные в рамках хоздоговорных НИР, проходят испытания и используются на НПО "Интеграл" (Минск), НПО "Элма" (Москва) и на заводе "Камертон" (Пинск), а также в учебном процессе и при выполнении госбюджетных НИР на кафедре атомной физики и физической информатики. Выявленные закономерности осевого распределения кислорода в монокристаллах кремния в зависимости от аспектного отношения расплава могут быть использованы для оптимизации условий выращивания однородных слитков кремния методом Чохральского.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
-
Методика экспрессных измерений концентрации и распределения кислорода в слитках кремния большого (100-200 мм) диаметра.
-
Экспериментальное обнаружение крупномасштабных (~1 см) осцилляции концентрации кислорода вдоль оси роста слитков кремния, выращенных методом Чохральского.
-
Модель внедрения кислорода в кристаллы кремния, учитывающая концентрационные колебания кислорода в расплаве и нестационарный перенос потоков расплава в ходе роста слитков методом Чохральского.
Личный вклад соискателя. Содержание диссертации отражает личный вклад автора. Постановка задачи и обсуждение результатов выполнены совместно с руководителем. Соискатель принимал непосредственное участие в получении и обработке всех результатов, представленных в работе. Соавторы работ принимали участие в проведении отдельных экспериментов и интерпретации экспериментальных данных.
Апробация результатов диссертации. Результаты диссертации докладывались на Международной конференции "Современные проблемы лазерной физики и спектроскопии" (Гродно, 1993), 14-й конференции конденсированных сред (Мадрид, 1994), Всесоюзной конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния "Кремний-96" (Москва, 1996), II и III Международных конференциях "Взаимодействие излучения с твердым телом" (Минск, 1997 и 1999), 4-м, 5-м, 6-м и 7-м Международных семинарах
по синергетике и нелинейной динамике сложных систем (Минск, 1996, 1997, 1998 и 1999).
Опублшсованностъ результатов. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 5 статьях в научных журналах, 1 статье в сборнике научных трудов, 1 докладе по материалам конференции и 3 тезисах докладов. Общее количество страниц опубликованных материалов - 70.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из общей характеристики работы, четырех глав и заключения. Работа изложена на 125 страницах, включая 42 рисунка и 6 таблиц. Список использованных источников состоит из 119 наименований.
