Факторы, влияющие на дефекты в процессе роста

Факторы, влияющие на дефекты в процессе роста

Влияние скорости роста на возникновение дефектов

При охлаждении кристалла от температуры кристаллизации происходит конденсация точечных дефектов. Плотность дефектов зависит от скорости охлаждения кристалла, которая является функцией скорости вытягивания кристалла и его диаметра. При скорости вытягивания 2мм/мин формирования дефектов не происходит. Это обусловлено закалкой точечных дефектов и предотвращением их агломерации. Такая скорость вытягивания не может быть достигнута для кристаллов диаметром более 75 мм без ухудшения степени их монокристалличности.

Влияние примесей на дефектность кристаллов

Примесь обладает определенной растворимостью в кристалле. Для разбавленных растворов равновесный коэффициент сегрегации k₀ может быть записан как:

k₀=C_s/C_l,

где C_s,C_l -равновесная концентрация примесей в твердой и жидкой фазах.

Распределение примеси в растущем кристалле может быть описано соотношением:

C_s=k₀C₀(1-X)^k0-1,

где X - доля затвердевшего расплава,
C₀ - первоначальная концентрация примеси в расплаве,
C_S - концентрация примеси в твердой фазе,
k₀ - равновесный коэффициент сегрегации.

Рекомендуемые материалы

Экспериментальным путем было установлено, что в реальных условиях необходимо пользоваться эффективным коэффициентом сегрегации k_e:

,

где V - скорость роста (вытягивания),
D - коэффициент диффузии примеси в расплаве,
B - толщина граничного слоя.

Примеси и дефекты, возникающие в кремнии в процессе его роста.

Кислород попадает в кремний при частичном растворении тигля. Концентрация кислорода в кремнии составляет обычно 5·10¹⁷ см^-3. Для ее уменьшения используют индукционный способ нагрева или уменьшают количество расплава в тигле. Присутствие кислорода в узлах кремниевой кристаллической решетки приводит к появлению донорных центров, а междоузельный кислород увеличивает предел текучести кремния. Кроме того, наличие кислорода вызывает образование дефектов за счет преципитации (появляется фаза SiO₂). Наличие этой фазы вызывает появление сжимающих напряжений в кристалле и дислокационных петель. Дефекты данного типа захватывают как легирующие примеси, что является отрицательным фактором, так и нежелательные примеси, присутствующие в кремнии. Последнее используется в технологических операциях геттерирования.

Углерод попадает в кремний из графитовых узлов установки. Его концентрация в Si составляет обычно 10¹⁶ см-3. Углерод является примесью замещения. Он не выделяется в преципитаты и не становится электрически активным. Однако примесь углерода в кремнии влияет на процессы преципитации кислорода и дефектообразования. Концентрацию кислорода и углерода в кремнии определяют по спектрам ИК поглощения.

Влияние вращения кристалла на возникновение дефектов

Толщина граничного слоя зависит от условий конвекции в расплаве. Вращение кристалла в расплаве (принудительная конвекция) уменьшает толщину граничного слоя согласно следующей зависимости:

B=1,8·D^1/3·V^1/6·W^-1/2,

где W - скорость вращения. Реально В уменьшается более резко, чем описано в уранении.

Рекомендуем посмотреть лекцию "Освоение операционных систем".

Основной результат тепловой конвекции - неоднородное распределение примесей на микроуровне. Обычно концентрация примесей уменьшается с увеличением диаметра (радиальная неоднородность).

Влияние химического переохлаждения на возникновение дефектов

Один из эффектов, возникающих в сильнолегированных расплавах - химическое переохлаждение. В этом случае кристалл растет нерегулярно и происходит образование дислокаций. Химическое переохлаждение ограничивает величину предельной концентрации для некоторых примесей.

Геттерирование (справка)

Геттерирование - процесс вытягивания примесей из различных частей монокристалла в области их стока. Такими областями может служить, например, район скопления дефектов, введенный в кристалл специальными способами.

В кремниевой технологии под процессом геттерирования обычно понимают удаление нежелательных примесей из активных областей транзисторов. Такими примесями являются, в частности, атомы тяжелых элементов, увеличивающих токи утечки p-n переходов.

Задача геттерирования решается двумя способами.

• Внешнее геттерирование. В нерабочую часть монокристалла вводят большое количество дефектов. Это осуществляется, например, путем механической или лазерной обработкой (Е= 5 Дж/см²) непланарной части кремниевой пластины.
• Внутреннее геттерирование. Дефекты вводятся во внутреннюю область подложек. Одним из способов является преципитация кислорода, поставляемого туда путем предварительного ионного легирования, или за счет существования под слоем кремния слоя SiO2, как, например, в КНИ технологии.
  При внутреннем геттерировании производят предварительный отжиг пластин в атмосфере азота при Т= 1050 °С для удаления скопления кислорода (будущих возможных мест стока нежелательных примесей) из приповерхностных областей кремния.