Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Складн системи процеси № 1, 2005 СКЛАДН ФЗИЧН СИСТЕМИ ПРОЦЕСИ СКЛАДН ФЗИЧН СИСТЕМИ ПРОЦЕСИ УДК 537.31:539.21:539.67 ВПЛИВ ВИСОКОТЕМПЕРАТУРНИХ ОБРОБОК НА ФЗИЧН ВЛАСТИВОСТ МОНОКРИСТАЛВ ТА МОНОКРИСТАЛЧНИХ ШАРВ КРЕМНЮ Бахрушин В.к.

Гумантарний унверситет "Запорзький нститут державного та мунципального управлння", вул. Жуковського, 70-б, Запоржжя, Украна, 69002 Vladimir.Bakhrushin@zhu.edu.ua Вступ Сучасна технологя виготовлення багатьох напвпровдникових приладв та нтегральних схем передбача проведення низки високотемпературних процесв (ептакся, дифузя, окислення, осадження полкристалчних шарв тощо) при температурах 1200 К та вище.

Так обробки можуть спричинювати рзномантн перебудови домшково-дефектно пдсистеми, що вдбиватиметься на електрофзичних та нших властивостях кристалв. Для слабколегованих монокристалв монокристалчних шарв кремню найбльш суттвими процеси, що призводять до змни концентрацй щльних донорв акцепторв, а також рекомбнацйно активних центрв.

У тератур дан, що свдчать про нестабльнсть фзичних властивостей слабколегованих монокристалв кремню при високотемпературних обробках. Основними типами змн стотне зниження питомого електричного опору (ПЕО) кристалв з електронним типом провдност [1-3], перекомпенсування кристалв з дрковим типом провдност [4], суттве зменшення часу життя нервноважних носв заряду [5; 6] та утворення специфчних ямок на поверхн кристалв з пдвищеним вмстом кисню [7; 8]. Характер та степнь змн значною мрою залежать вд складу атмосфери, у якй здйснюють обробку, вмсту кисню у кристал, вихдного значення ПЕО, швидкост охолодження товщини пластини (шару). пх причинами можуть бути: проникнення у кристал швидкодифундуючих металевих домшок з апаратури, атмосфери та нших джерел [9]; генераця нервноважних точкових дефектв, домшково-дефектних комплексв [10] та нших електрично активних центрв; пасиваця електрично активних домшок дефектв; вдпал нервноважних метастабльних електрично активних дефектв, як мстилися у кристал; х перерозподл мж рзними станами у кристал. Наявн дан дають пдстави припускати, що ус перелчен механзми тю чи ншою мрою впливають на змну властивостей слабколегованих кристалв кремню при термчних обробках.

Метою дано роботи був аналз даних про вплив високотемпературних обробок в атмосфер, що мстить водень, на електрофзичн властивост слабколегованих монокристалв монокристалчних шарв кремню.

1. Вплив високотемпературних обробок на питомий електричний опр кристалв Нестабльнсть параметрв слабколегованих кристалв кремню при високотемпературних обробках уперше описано у робот [1], де вивчалися кристали кремню з електронним дрковим типами провдност вихдним ПЕО понад 170 Омсм, отриман методами Чохральського БЗП. Автори спостергали утворення донорних центрв псля вдпалу в атмосфер водню при 1570 К наступного швидкого охолодження. При охолодженн з швидкстю 0,6 К/хв донорн центри утворювалися лише у кристалах, вирощених за методом Чохральського, а у БЗП - кремн формувалися акцепторн центри. На думку авторв, така Складн системи процеси № 1, вдмннсть зумовлена тим, що при швидкому охолодженн на першому етап утворються пересичений твердий розчин кисню в кремн, розпад якого на другому етап веде до виникнення кисневих термодонорв. При бльш низькй швидкост охолодження процес супроводжуться прециптацю кисню його концентраця в розчин виявляться недостатньою для формування термодонорв. Тому тип провдност величина ПЕО псля вдпалу визначаються концентрацю та типом залишкових домшок у вихдному кристал та забрудненнями пд час вдпалу. Подальш дослдження показують, що механзми змни електрофзичних властивостей при високотемпературних обробках складншими.

У табл. 1 наведено дан про вплив високотемпературних обробок на величину ПЕО монокристалв монокристалчних шарв кремню. Як бачимо, ц дан суперечливими певною мрою пдтверджують вказану вище багатофакторнсть впливу вдпалу на електрофзичн властивост кремню.

У робот [3] нами було проведено зставлення впливу вдпалу у протоц високочистого водню з точкою роси < 200 К на ПЕО слабколегованих пластин БЗП-кремню товщиною 500 - 700 мкм слабколегованих ептаксйних шарв, товщиною 20 - 150 мкм, сформованих методом водневого вдновлення трихлорсилану на пдкладках КЕС-0,01 КЕС-0,товщиною 500 - 700 мкм. Як пластини, так ептаксйн шари мали електронний тип провдност. Вдпал виконували у кварцовому реактор, де здйснювалося осадження ептаксйних шарв. Це давало пдстави вважати, що при обробц не вдбуваться стотного додаткового забруднення кристалв. Прометрична температура вдпалу становила 1370 - 1470 К, а середня швидксть охолодження до 900 К - порядку 100 К/с.

Таблиця Вплив високотемпературного вдпалу на питомий електричний опр (ПЕО) слабколегованих кристалв кремню Джерело Умови проведення Змна ПЕО процесу [4] 10х10х1 мм, 870 Омсм (вих.) 520 Омсм (4 год) вакуум, 1370 К.

180 Омсм (45 год) Термоциклювання [11, 12] 1070 - 1470 К, ПЕО 20 - 80 Омсм, не змнються за будь5 - 240 год, швидксть охо- яких режимв лодження 1 К/хв, КЭФ-20, БЗП n-Si [2, 13, 1270 К; n-Si Знижуться вд деклькох кОмсм до 14] 300 - 500 Омсм або вд 200 - 250 Омсм до 80 - 150 Омсм [1] 1570 К, 1 год, гелй, шайби При повльному охолодженн зменшення в n-Si товщиною 8 мм зростання в p-Si. При швидкому (0,6 К/хв) охолодженн зменшення в p-Si БЗП конверся типу провдност в p-Si (Чохр) На рис. 1, 2 показано профл розподлу ПЕО за товщиною ептаксйного шару псля вдпалу, вимрян методом опору розткання. Для спецально нелегованих шарв з вихдним значенням ПЕО близько 1 кОмсм, осаджених на пдкладках КЕС-0,01 (рис. 1), термообробка зумовлю рзке зменшення ПЕО в усьому шар, крм його приповерхнево област товщиною близько 5 мкм. Поблизу поверхн, навпаки, спостергаться зростання ПЕО, значення якого може перевищувати його вихдну величину. При великих тривалостях вдпалу величина ПЕО основно частини ептаксйного шару стаблзуться на рвн - 30 Омсм, незалежно вд його вихдного значення. Для легованих фосфором шарв з ви Складн системи процеси № 1, хдним значенням ПЕО 50 Омсм, осаджених на пдкладках КЕФ-0,2 (рис. 2), зменшення ПЕО при вдпал незначним. Це може бути пояснено близькстю вихдного ПЕО до рвня, на якому в попередньому випадку спостергалася стаблзаця. ншими стотними вдмнностями вдсутнсть приповерхнево област з високою величиною ПЕО, а також помтне розширення перехдно област мж пдкладкою та шаром, зумовлене бльшим (приблизно на порядок) коефцнтом дифуз фосфору порвняно з сурмою при температур вдпалу. - результати узгоджуються з даними [15], отриманими НВЧ методом.

0,d, мкм -15 Рис. 1. Профл ПЕО ептаксйно композиц (нелегований шар на пдкладц КЭС-0,01) псля вдпалу у водн при температур 1400 К протягом 0,5 год (2) 4 год (3). 1 - вихдний зразок 2 0,-5 0 5 10 X, мкм 15КЭФРис. 2. Профл ПЕО ептаксйно композиц псля вдпалу у водн при 380КЭФ0,температур 1400 К протягом 0,5 год (2) 4 год (3). 1 - вихдний зразок.

Повний час охолодження зразкв псля вдпалу в наших умовах не перевищував 10 - 15 хв, що недостатньо для утворення помтно клькост кисневих термодонорв. Для дода, Ом*см, Ом*см Складн системи процеси № 1, тково переврки припущення про можливсть х формування за рахунок кисню, що дифунду пд час вдпалу з пдкладки до ептаксйного шару, дослджували вплив вдпалу на повтр при 720 К протягом 2 - 10 год на величину ПЕО аналогчних зразкв (ептаксйних композицй). При цьому не спостергали будь-яких помтних змн ПЕО псля вдпалу, що да пдстави вважати механзм деградац електрофзичних властивостей складншим, нж це припускалося в [1].

Порвняння впливв вдпалу на профл ПЕО наведен на рис. 1, 2 показу, що змна ПЕО основно частини шару не повТязана з дифузю домшок з поверхн або з пдкладки до ептаксйного шару, а викликана дефектами, як утворюються в самому шар. Формування тонко приповерхнево област у спецально нелегованих ептаксйних шарах може бути повТязано з домшками, що дифундують до шару з атмосфери, або з дефектами, що утворюються на меж роздлу "шар - атмосфера". При цьому вдповдн домшки або дефекти, а також дефекти, що зумовлюють зниження величини ПЕО основно частини шару, мають вдносно низьк коефцнти дифуз, що призводить до формування чтко межи мж областями, де переважають одн або нш дефекти.

На рис. 3 показано профл розподлу ПЕО у приповерхневй област пластин БЗП кремню з електронним типом провдност псля аналогчних обробок. Результати, що спостергаються, подбними до отриманих при вдпал спецально нелегованих ептаксйних шарв узгоджуються з сформульованими вище припущеннями.

0 5 10 X, мкм Рис. 3. Профл ПЕО приповерхнево област пластини БЗП кремню псля вдпалу у водн при температур 1400 К протягом 0,5 год (2) 4 год (3). 1 - вихдний зразок 2. Кнетика змни концентрац донорних центрв, що утворюються пд час вдпалу У робот [3] нами було дослджено кнетику змни концентрац нескомпенсованих донорв при високотемпературному вдпал в атмосфер водню слабколегованих монокристалв та ептаксйних шарв кремню з електронним типом провдност (рис. 4). Концентрац перераховували з експериментально вимряних значень ПЕО, використовуючи тературн дан про рухливсть електронв. Вказана кнетика описуться рвнянням:

= N* - N t - N0 = N* exp /, (1) ( ) (-t ), Ом*см Складн системи процеси № 1, де N* - концентраця насичення; N0 - концентраця нескомпенсованих донорв у слабколегованому шар до вдпалу; t - тривалсть вдпалу, - час релаксац.

0 2500 5000 7500 Тривалсть вдпалу, с Рис. 4. Залежнсть параметра рвняння (1) вд тривалост високотемпературного вдпалу у водн при 1400 К: 1 - БЗП - кремнй; 2 - ептаксйний шар Параметри рвняння (1) для пластин становлять: N* = 1,51014 см-3; = 2104 c, а для ептаксйних шарв - N* = 61014 см-3; = 3103 c. Величина питомого опору усередин вихдного слабколегованого ептаксйного шару повльно зменшуться у напрямку вд його поверхн до меж з пдкладкою (рис. 1). Причиною цього може бути те, що бльш глибок област пддаються частковому вдпалу пд час формування шару, що призводить до генерац в них донорних центрв за тим самим механзмом, що й при додатковому спецальному вдпал. Обробка профлв розподлу питомого електричного опору у припущенн, що кнетика накопичення донорних центрв описуться рвнянням (1), показала, що для точок, як вдповдають тривалост вдпалу приблизно до 30 хв, параметри кнетично залежност такими самими, як для монокристалчних пластин (рис. 4). Отриман значення параметрв N*, не суперечать наявному в тератур [16-18] припущенню про звТязок донорних центрв, що утворюються, з комплексами, як мстять власн точков дефекти. Це припущення пдтверджуться також бльш легким утворенням донорних центрв в ептаксйних шарах, як у вихдному стан мстять дислокац, що можуть сприяти утворенню власних точкових дефектв, а також поступовим зростанням величини питомого електричного опору псля вдпалу (рис. 5), що може бути повТязано з розпадом утворених центрв.

3. Рвн дефектв, що утворюються при високотемпературних обробках кремню Дан про рвн, що, згдно з [4; 10; 13; 14; 16-19], зТявляються в монокристалах кремню псля вдпалу в атмосферах чистого водню, а також водню, який мстить добавки сполук хлору (ХМА) наведено в табл. 2. Концентрац центрв, яким вони вдповдають, знаходяться в межах 109 - 1013 см-3. Наявн дан досить суперечливими, що свдчить про необхднсть подальшого вивчення процесв дефектоутворення в кремн пд час його високотемпературних обробок. Згдно з [20], у слабколегованих монокристалах кремню при високотемпературному вдпал можуть утворюватися також центри з електронними рвнями Ec - 0,24 еВ Еc - 0,36 еВ, перший з яких, моврно, повТязаний з мжвузловинними атомами вуглецю або кремню. Крм того, може спостергатися рвень Ec - 0,08 еВ, аналогчний тим, що ндукуються пружними полями крайових дислокацй [21].

ln Складн системи процеси № 1,, Ом*см 0,0,-10 10 30 50 d, мкм Рис. 5. Профл питомого електричного опору ептаксйно композиц псля вдпалу у водн при 1400 К протягом 1 год: 1 - вимрювання виконан за добу псля вдпалу; 2 - вимрювання виконан за 10 мс. псля вдпалу Таблиця Рвн, що утворюються у кремн при високотемпературних вдпалах Джерело Параметри рвнв Примтки [13] T > 1270 К Ec - 0,28, n = 410-17;

Ec - 0,54, n = 10-15, p(300 K) 10-20, p~exp(-0,067/kT) - подвйн донори [11] Ec - 0,28; n-Si, вдпал при T > 1270 К Ec - 0,54, p(300 K) 10-20, p = 1,551019exp(-0,067/kT) - подвйн донори - поодинок атоми срки;

Ec - 0,[11] Ev + 0,33; p-Si, вдпал при T > 1270 К Ev + 0,[12] p-Si с УЭС > 104 Омсм, 1420 К, Ev + 0,43 (Д), p = 10-15 ( Fei - ) 3 год, 2 К/хв [4] Ec - 0,18 (Д); вдпал при 1270 - 1370 К Ec - 0,32 (Д); у процес термокомпресйного Ec - 0,38 (Д); зТднання пластин Ec - 0,53 (Д), p(290 K) = 10-ус рвн срки [16] H2;

Ec - 0,18; = 310-16 (A-центр);

1420 К, 4 хв Ec - 0,23, = 710-17;

Ec - 0,24, = 510-14 (v2);

Ec - 0,30, = 210-14 (v2-O);

Ec - 0,54, = 410-13 (Au) [16] ХМА;

Ec - 0,12, = 510-16;

1420 К, 4 хв Ec - 0,24, = 510-14 (v2);

Ec - 0,27, = 510-12 (v3-O);

Складн системи процеси № 1, Джерело Параметри рвнв Примтки Ec - 0,30, = 210-14 (v2-O);

Ec - 0,54; = 410-13 (Au) [17] орнтаця (111), ХМА;

Ec - 0,12, = 10-16;

1420 К, 4 хв Ec - 0,24, = 510-14 (v2);

Ec - 0,30, = 210-14 (v2-O);

Ec - 0,54, = 410-13 (Au);

Ev + 0,45, = 710-15 - 110-(vx-O або v-B);

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

Ev + 0,19, = 310-16 (v2) [17] орнтаця (100), ХМА;

Ec - 0,27, = 510-12 (v3-O);

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

Ev + 0,23, = 310-13 (Al-v або AlI) Ev + 0,19 (v2) [18] 1170 - 1420 К;

Ec - 0,27, n = 110-17;

БЗП-Si Ec - 0,4, n = (0,3 - 3)10-12;

Ec - 0,45, p = 610-16;

Ec - 0,55, n = 310-15;

Ev + 0,3, n = 310-[18] 1170 - 1420 К;

Ec - 0,22, n = 210-15;

Si (Чохр.) Ec - 0,27, n = 110-17;

Ec - 0,38, n = 410-14;

Ec - 0,39, n = 210-16;

Ec - 0,4, n = (0,3 - 3)10-12;

Ec - 0,45, p = 610-16;

Ec - 0,55, n = 310-[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, = 1,910-17;

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам